Передовые эксперименты с использованием рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопии (XPCS) в Линейном когерентном источнике света (LCLS) привели к неожиданному открытию, которое может изменить наше понимание фазовых переходов в материалах. Исследователи обнаружили, что преобразование материала, состоящего из слоев титаната свинца и титаната стронция, в структуру «суперкристалла» происходит в течение времени, которое в 100 000 раз дольше, чем предполагалось ранее.
Международная группа ученых из SLAC National Accelerator Laboratory, Стэнфордского университета, Пенсильванского государственного университета, Аргоннской национальной лаборатории, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Индийского института науки, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Райса обнаружила, что фазовый переход, вызванный одним импульсом света, длится десятки миллисекунд, а не сотни наносекунд, как считалось ранее.
«Мы обнаружили, что процесс трансформации намного сложнее и длительнее, чем мы думали», – отметил Аарон Линденберг, профессор SLAC и Стэнфордского университета, соавтор исследования. «Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания динамики фазовых переходов в материалах».
Исследователи применили метод «накачка-зондирование», где одиночный импульс видимого света запускает переход, а рентгеновские импульсы отслеживают трансформацию через различные временные интервалы. Рассеянный рентгеновский свет создает спекл-картины, которые кодируют информацию о происходящих изменениях. Этот подход позволил ученым изучить фазовые переходы на разных масштабах – от атомного уровня до размеров, приближающихся к диаметру человеческого волоса.
Особенно важным открытием стала гетерогенность процесса трансформации. «Различные части материала изменяются по-разному и с разной скоростью», – пояснил Венкатраман Гопалан, профессор Пенсильванского государственного университета и соавтор исследования. «Это указывает на то, что в сложных материальных системах происходит коррелированное движение на границах фаз».
Результаты исследования, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, бросают вызов традиционному пониманию фазовых переходов. Фазовые изменения лежат в основе многих технологий, включая цифровую память в смартфонах, и понимание этих процессов является ключом к созданию материалов с определенными свойствами.
Новые знания о динамике фазовых переходов могут привести к разработке материалов для более быстрых переключающих устройств и технологий хранения информации с меньшими энергозатратами. Кроме того, метод XPCS открывает двери для исследования подобных процессов в других материальных системах.
До этого исследования ученые не могли напрямую визуализировать эти трансформации в реальном времени с такой детализацией. Предыдущие методы исследования не позволяли увидеть «скрытые» детали процесса фазового перехода, которые оказались критически важными для полного понимания поведения материалов.
Изображение носит иллюстративный характер
Международная группа ученых из SLAC National Accelerator Laboratory, Стэнфордского университета, Пенсильванского государственного университета, Аргоннской национальной лаборатории, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Индийского института науки, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Райса обнаружила, что фазовый переход, вызванный одним импульсом света, длится десятки миллисекунд, а не сотни наносекунд, как считалось ранее.
«Мы обнаружили, что процесс трансформации намного сложнее и длительнее, чем мы думали», – отметил Аарон Линденберг, профессор SLAC и Стэнфордского университета, соавтор исследования. «Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания динамики фазовых переходов в материалах».
Исследователи применили метод «накачка-зондирование», где одиночный импульс видимого света запускает переход, а рентгеновские импульсы отслеживают трансформацию через различные временные интервалы. Рассеянный рентгеновский свет создает спекл-картины, которые кодируют информацию о происходящих изменениях. Этот подход позволил ученым изучить фазовые переходы на разных масштабах – от атомного уровня до размеров, приближающихся к диаметру человеческого волоса.
Особенно важным открытием стала гетерогенность процесса трансформации. «Различные части материала изменяются по-разному и с разной скоростью», – пояснил Венкатраман Гопалан, профессор Пенсильванского государственного университета и соавтор исследования. «Это указывает на то, что в сложных материальных системах происходит коррелированное движение на границах фаз».
Результаты исследования, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, бросают вызов традиционному пониманию фазовых переходов. Фазовые изменения лежат в основе многих технологий, включая цифровую память в смартфонах, и понимание этих процессов является ключом к созданию материалов с определенными свойствами.
Новые знания о динамике фазовых переходов могут привести к разработке материалов для более быстрых переключающих устройств и технологий хранения информации с меньшими энергозатратами. Кроме того, метод XPCS открывает двери для исследования подобных процессов в других материальных системах.
До этого исследования ученые не могли напрямую визуализировать эти трансформации в реальном времени с такой детализацией. Предыдущие методы исследования не позволяли увидеть «скрытые» детали процесса фазового перехода, которые оказались критически важными для полного понимания поведения материалов.
