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橡树岭国家实验室和日本同步辐射研究所的合作



研究人员已经看到了二氧化钒超快相变的幕后,发现它的原子戏剧比他们想象的要复杂得多。几十年来,这种材料因其从电绝缘体转变为导体的能力而着迷于科学家。

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这项研究于11月2日出版在科学杂志上,是杜克大学研究人员,斯坦福大学SLAC国家加速器实验室,巴塞罗那科学技术研究所,橡树岭国家实验室和日本同步辐射研究所的合作。
。研究人员对二氧化钒进行了五十多年的深入研究,因为二氧化钒具有在152华氏度的方便可达温度下从绝缘体转换为导体的独特能力。虽然其他材料也能够实现这种转变,但大多数都远低于室温,这使得二氧化钒成为实际应用的更好选择。

最近,材料科学家们探索了当材料的原子结构被极短的超快激光脉冲激发时,如何发生相同的相变。使这种现象如此具有挑战性的原因是它发生的速度非常快

大约100飞秒。这是百万分之一秒的十分之一。然而,SLAC的Linac相干光源(LCLS)的超亮X射线脉冲甚至更快。通过用飞秒激光触发二氧化钒的电相变,然后用几十飞秒的X射线脉冲对其原子进行瞄准,研究人员第一次能够全面了解过渡。他们发现,钒原子不是以直接,协作的方式从一个原子结构转换到另一个原子结构,而是通过更加不可预测的路径到达目的地并且彼此独立。

杜克大学机械工程和材料科学副教授,该研究的一位领导人奥利维尔德莱尔说:有人提议通过确定性的,定义明确的改组将材料从一种晶体结构转移到另一种晶体结构。相反,我们发现,即使在一次转变中,每个原子也独立于其他原子做自己的事情。我们发现的这种疾病非常强烈,这意味着我们必须重新思考我们如何研究所有这些材料,我们认为这些材料都是统一的,巴塞罗那光子科学研究所副教授西蒙沃尔说。该研究的领导者。

他们没有顺利进入他们的新职位,比如乐队成员在一个场地上行进;他们像约会员一样在关闭时离开酒吧,沃尔说。如果我们的最终目标是控制这些材料的行为,以便我们可以将它们从一个阶段来回切换到另一个阶段,那么控制醉酒合唱团要比行进乐队更难控制。为了揭示实验观察的意义,德莱克在杜克的小组也领导了超级计算机模拟原子动力学的材料。这些模拟是在国家能源研究科学计算中心和橡树岭领导计算机构的超级计算机上进行的。当我的学生山洋向我展示她对原子运动进行量子模拟的结果时,这真是令人兴奋,德莱尔继续道。它几乎完全匹配记录的X射线强度的实验电影,即使不需要可调参数。

以前的研究无法获得LCLS提供的空间和时间分辨率,只能测量材料原子行为的平均值。由于这些限制,他们无法看到随机偏离钒原子平均运动的重要性。然而,凭借LCLS的敏感性,研究人员可以更清楚地了解正在发生的事情。这有点像天文学家在研究夜空,德莱尔说。以前的研究只能看到肉眼可以看到最明亮的恒星。但是通过超亮和超快的X射线脉冲,我们能够看到它们之间的银河系的微弱和漫射信号。

这项研究和其他类似研究是了解光激发材料行为的关键。例如,如果适当利用,本研究中揭示的二氧化钒的原子反应可以形成结合光子和电子的计算机的超快晶体管的基础。研究人员也在追求室温超导体的梦想中使用这个一般概念。我们在二氧化钒中光致绝缘体到金属转变过程中获得的新知识应该与重新评估我们对其他材料的理解直接相关,Delaire说。我们刚刚开始探索能够通过照亮它们来控制材料行为的新领域,并结合最先进的X射线设备和超级计算机来跟踪正在发生的事情。我们重新发现所涉及的原子动力学比我们之前想象的要复杂得多。

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