Новая система сверхбыстрой выдержки позволяет запечатлеть движение атомов
В то время как цифровые камеры, представленные на рынке, предлагают выдержки от 30 секунд до 1/8000 секунды, исследователи из Колумбийского инженерного института (Нью-Йорк) и Университета Бургундии разработали новое устройство с невероятно быстрой выдержкой около 1 пикосекунды (10-12 секунд) - в миллион миллионов раз быстрее, чем обычные затворы камер! В частности, их система поможет нам лучше понять, как материалы проводят тепло.
Выдержка означает скорость закрытия затвора фотоаппарата: более быстрая выдержка приводит к сокращению времени экспозиции (времени выдержки), что означает, что в камеру попадает больше света. В случае этого нового устройства выдержка настолько высока, что позволяет увидеть "динамический беспорядок" атомов - коллективные колебания скоплений атомов в материалах, которые вызываются внешними явлениями, такими как вибрация или изменение температуры.
Лучшее понимание динамического беспорядка в материалах может привести к созданию более энергоэффективных термоэлектрических устройств. К сожалению, изучать этот беспорядок особенно сложно, поскольку кластеры атомов не только очень малы и неупорядочены, но и флуктуируют во времени. Кроме того, в материалах существует "статический беспорядок", который не улучшает свойства материала (и поэтому не представляет интереса), но мешает наблюдению динамического беспорядка (обычная кристаллография не может отличить одно от другого). Новая система сверхбыстрой выдержки, разработанная исследователями, позволяет обойти эту проблему.
Скорость затвора устройства можно менять; когда она медленная, команда наблюдает атомную структуру, которая кажется упорядоченной, но размытой, поскольку атомные кластеры находятся в движении. При более высоких скоростях можно сделать еще более четкий снимок, выявив четкую сложную картину динамического движения. Эта система называется "PDF с переменным затвором" или vsPDF (от variable shutter for atomic pair distribution function).
"[vPDF] дает нам совершенно новый способ разобраться в сложностях того, что происходит в сложных материалах, в скрытых эффектах, которые могут усиливать их свойства. Используя эту технику, мы сможем наблюдать за материалом и видеть, какие атомы участвуют в танце, а какие нет", — говорит Саймон Биллинг, профессор материаловедения, прикладной физики и прикладной математики Колумбийского университета и соавтор , в которой представлено устройство.
Эта система явно не имеет ничего общего с классической камерой: для измерения положения атомов она использует нейтроны (от источника в Ок-Риджской национальной лаборатории Министерства энергетики США). Конкретно, этот метод состоит в изучении того, как нейтроны проходят через материал, чтобы измерить смещения окружающих атомов — кадры рассеяния нейтронов делаются путем изменения скорости затвора от медленной до быстрой.
Команда сфокусировала эту "нейтронную камеру" на материале под названием теллурид германия (GeTe), который обладает особыми электронными свойствами. Он обладает полуметаллической проводимостью и ферроэлектрическим поведением. Твердый GeTe может переходить из аморфного в кристаллическое состояние: кристаллическое состояние имеет низкое удельное сопротивление, а аморфное (полученное при очень высоких температурах) - высокое. Это важный материал для термоэлектричества, которое преобразует отработанное тепло в электричество (или электричество в охлаждение).
Инструмент vsPDF показал, что в среднем GeTe сохраняет кристаллическую структуру при любых температурах. Но при более высоких температурах он демонстрирует "анизотропную ангармоническую динамику", в которой атомы преобразуют свои движения в тепловую энергию, следуя градиенту, соответствующему направлению спонтанной электрической поляризации материала.
Используя информацию, предоставленную vsPDF, команда разработала новую теорию, которая показывает, как такие локальные флуктуации могут формироваться в GeTe и родственных материалах. Это поможет ученым выявить новые материалы с таким специфическим эффектом, а также определить внешние силы, необходимые для воздействия на этот эффект - что может привести к созданию более энергоэффективных термоэлектрических устройств, таких как твердотельные холодильники и тепловые насосы.
Такое понимание динамического беспорядка может также привести к лучшему извлечению полезной энергии из отработанного тепла (например, из выхлопных газов автомобилей и электростанций) путем преобразования его непосредственно в электричество. Исследователи также рассматривают возможность разработки новых приборов, способных питать марсоходы, когда солнечный свет недоступен.
На данный момент эта технология не готова к использованию, подчеркивают они. Но при дальнейшем развитии она может стать стандартным инструментом для использования во многих системах, где важна атомная динамика: например, можно будет наблюдать за движением лития в электродах аккумуляторов или изучать динамические процессы, связанные с разделением воды под воздействием солнечного света.