«Камера» с выдержкой в одну триллионную долю секунды фиксирует динамический хаос атомов

Чтобы сделать чёткий фотоснимок, затвор современной цифровой камеры можно открыть на четырёхтысячную долю секунды. Но чтобы заглянуть внутрь вещества и запечатлеть активность атомов, нужен фотоаппарат с затвором, который срабатывает в миллионы раз быстрее.

Именно такое устройство придумали исследователи из Columbia Engineering и Университета Бургундии — оно снимает с выдержкой в триллионную долю секунды. Стоит понимать, что этот «затвор» — не механическое устройство, а лишь метафора. Для изучения вещества в новой «камере» используется взаимодействие не с фотонами света, как в обычном фотоаппарате, а с нейтронами. Сконструированная учёными установка позволяет запечатлеть важное физическое явление — динамический хаос.

Что такое динамический хаос?

Простыми словами, динамический хаос — это изменение положения атомов в кристалле, которые хаотически движутся или «танцуют» определённым образом в короткие промежутки времени — например, под действием вибрации или изменения температуры. Это явление, которое мы ещё не до конца понимаем, имеет решающее значение для изучения свойств и реакций веществ. Сегодня мы можем использовать для таких исследований методы кристаллографии, однако новая «фотокамера» помогает изучать материалы с невиданной ранее детальностью.

Понимание природы динамического беспорядка в материалах поможет нам создавать более энергоэффективные термоэлектрические устройства — твердотельные холодильники и тепловые насосы, лучше извлекать полезную энергию из отработанного тепла, такого как выхлопы автомобилей и выбросы электростанций, путём преобразования его в электричество. А ещё — разрабатывать более совершенные материалы и оборудование для электрического питания марсоходов в условиях нехватки солнечного света.

Зачем нужна переменная выдержка?

Ключевая особенность новой «камеры» — переменная выдержка. Неупорядоченные скопления атомов постоянно движутся, и когда команда использовала медленный затвор, динамический беспорядок выглядел размытым. Новый метод, позволяющий получать чёткие изображения, учёные назвали variable shutter PDF или vsPDF.

Вещество изучается с помощью рассеяния нейтронов на атомах кристаллической решётки. Измеряя параметры нейтронов, рассеянных на атомах вещества, можно построить функцию распределения атомов по уровням энергии (PDF, Pair Distribution Function). Дальше, чтобы получить полную картину, нужно проинтегрировать эту функцию по всем возможным энергиям за некоторый промежуток времени. Именно промежуток времени, за который интегрируется энергия этих функций, и является в данной работе аналогом «скорости затвора». Варьируя длину таких промежутков, учёные могут отличить динамические колебания атомов, которые проявляются только в короткие отрезки времени, от каких-то более долговременных изменений в кристаллической структуре вещества.

Первые результаты

Исследователи уже испытали свою камеру на материале под названием теллурид германия (GeTe), который из-за его особых свойств применяется для преобразования отработанного тепла в электричество или для использования электричества в целях охлаждения.
Камера показала, что структура GeTe в среднем оставалась полностью упорядоченной при любых температурах. Но при сильном нагревании он демонстрировал динамический беспорядок, когда атомы смещались относительно своих нормальных положений в кристаллической решётке, следуя градиенту, который соответствует направлению спонтанной электрической поляризации материала.

Как это поможет нам в жизни?

Сейчас учёные работают над тем, чтобы упростить использование новой технологии в разных областях науки и применить её к другим системам с динамическим беспорядком. Вскоре этот метод можно будет использовать во многих материальных системах, где важна атомная динамика, — от наблюдения за движением лития в электродах батареи до изучения динамических процессов при расщеплении воды солнечным светом.