Революционный рентгеновский микроскоп обнаружил звуковые волны глубоко внутри кристаллов
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Стэнфордский университет и Датский технический университет разработали современный рентгеновский микроскоп, способный напрямую наблюдать звуковые волны на мельчайших масштабах — уровне решетки внутри кристалла. Эти результаты, опубликованные на прошлой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, могут изменить способ изучения сверхбыстрых изменений в материалах и связанных с ними свойств.
( a ) Схематическая схема эксперимента DFXM. Падающий рентгеновский луч конденсируется в одном направлении с помощью составной преломляющей линзы (CRL) для освещения слоя в образце, который определяет плоскость наблюдения (горизонтальную на этом рисунке). Монокристалл алмаза ориентирован так, что дифракция происходит при отражении Q → . Изображения плоскости наблюдения в формате DFXM получаются с помощью рентгеновского объектива для увеличения рентгеновских лучей, дифрагированных по Брэггу, на 2D-детекторе. Оптическая лазерная накачка нагревает пленку Au, осажденную на поверхности образца в момент времени t0 , что приводит к тепловому расширению и возникновению акустических волн внутри кристалла алмаза. Соответствующие изменения локальной деформации в кристаллической решетке визуализируются с разными временными задержками Δt между лазерной накачкой и рентгеновским зондом, чтобы создать фильм об их распространении. Показаны грани кристалла и лабораторная система координат.
( b ) Геометрия рассеяния.
( c ) Экспериментальные изображения DFXM при Δt = 3 нс и 7 нс. Ниже приведены графики интенсивности с интегрированным вертикальным направлением y ℓ . Видно, что две акустические волны, отмеченные A0 (аквамарин) и B0 (синий), распространяются вправо при увеличении Δt .
Фото: Труды Национальной академии наук (2023 г.). DOI: 10.1073/pnas.2307049120
«Атомная структура кристаллических материалов определяет их свойства и связанные с ними варианты использования», — сказала одна из исследователей, Леора Дрессельхаус-Марэ, доцент Стэнфордского университета и SLAC.
«Кристаллические дефекты и смещения атомного масштаба описывают, почему некоторые материалы укрепляются, а другие разрушаются под воздействием одной и той же силы. Кузнецы и производители полупроводников усовершенствовали нашу способность контролировать некоторые типы дефектов, однако сегодня лишь немногие методы могут отобразить эту динамику в реальном времени» в соответствующих масштабах, чтобы решить, как искажения связаны с объемными свойствами».
В этой новой работе команда генерировала звуковые волны в кристалле алмаза, а затем использовала разработанный ими новый рентгеновский микроскоп для прямого изображения тонких искажений внутри кристаллической решетки. Они сделали это в те временные рамки, в которых эти вибрации атомного масштаба естественным образом возникают, используя сверхбыстрые и сверхяркие импульсы, доступные в источнике когерентного света SLAC (LCLS).
Исследователи разместили специальную рентгеновскую линзу вдоль луча, дифрагированного кристаллической решеткой, чтобы отфильтровать «идеально упакованную» часть кристалла и сосредоточить внимание на искажениях в структуре кристалла, вызванных звуковой волной и дефектами.
«Мы использовали это, чтобы представить, как сверхбыстрый лазер преобразует свою световую энергию в тепло посредством последовательных отражений неравновесной звуковой волны от передней и задней поверхности кристалла», — сказал Дрессельхаус-Марэ. «Показывая это на примере алмаза — кристалла с самой высокой скоростью звука — мы иллюстрируем новые возможности, доступные теперь с помощью нашего микроскопа для изучения новых явлений глубоко внутри кристаллов».
Результаты позволяют увидеть сверхбыстрые изменения в материалах, не повреждая их. До этого открытия инструменты, которые использовали исследователи, были слишком медленными, чтобы заметить эти изменения. Это важно, потому что многие вещи, например, как движется тепло или как распространяются звуковые волны , зависят от этих быстрых изменений.
Последствия этого прорыва распространяются на различные дисциплины, от материаловедения до физики, и даже распространяются на такие области, как геология и производство. Понимая изменения на атомном уровне, которые приводят к более масштабным наблюдаемым событиям в материалах, ученые могут получить более четкую картину преобразований, процессов плавления и химических реакций в материалах, получив доступ к новым 13 порядкам временных масштабов.
«Этот новый инструмент дает нам уникальную возможность изучить, как редкие события, вызванные дефектами, атомными искажениями или другими локализованными стимулами внутри решетки, приводят к макроскопическим изменениям в материалах», — сказал Дрессельхаус-Марэ.
«Хотя наше понимание макроскопических изменений в материалах довольно продвинуто, мы часто упускаем детали того, какие «провоцирующие события» в конечном итоге вызывают фазовые превращения, плавление или химический состав, которые мы наблюдаем в более крупных масштабах. Теперь, когда у нас под рукой сверхкороткие временные рамки, у нас есть возможность отслеживать эти редкие события в их родных временных масштабах».
