Atomarer Pfad vom Isolator zum Metall messierend als gedacht

Forscher haben hinter den Vorhang des ultraschnellen Phasenübergangs von Vanadiumdioxid geschaut und festgestellt, dass seine Atomtheorie viel komplizierter ist, als sie dachten. Es ist ein Material, das die Wissenschaftler seit Jahrzehnten fasziniert, weil es sich von einem elektrischen Isolator zu einem Leiter entwickeln kann.

Die Studie, die am 2. November in der Zeitschrift Science erscheint, ist eine Zusammenarbeit zwischen Forschern der Duke University, dem SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford, dem Barcelona Institute of Science and Technology, Oak Ridge National Laboratory und dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute.

Vanadiumdioxid wird von Forschern seit mehr als fünf Jahrzehnten intensiv untersucht, da es bei der angenehm erreichbaren Temperatur von 152 Grad Fahrenheit vom Isolator zum Leiter wechseln kann. Auch andere Materialien sind zu diesem Übergang in der Lage, treten aber meist weit unter der Raumtemperatur auf, so dass Vanadiumdioxid eine bessere Option für praktische Anwendungen ist.

In jüngster Zeit haben Materialwissenschaftler untersucht, wie dieser gleiche Phasenübergang stattfindet, wenn die Atomstruktur des Materials durch einen extrem kurzen, ultraschnellen Laserpuls angeregt wird. Was das Phänomen so herausfordernd macht, ist die bemerkenswerte Geschwindigkeit, mit der es passiert – etwa 100 Femtosekunden. Das ist ein Zehntel eines Millionstels eines Millionstels einer Sekunde.

Die ultrahellen Röntgenimpulse an der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC sind jedoch noch schneller.

Durch die Auslösung des elektrischen Phasenübergangs von Vanadin-Dioxid mit einem Femtosekundenlaser und das anschließende Ping seiner Atome mit nur zig Femtosekunden langen Röntgenpulsen konnten die Forscher erstmals die Entwicklung des Übergangs genau verfolgen. Sie fanden heraus, dass die Vanadiumatome nicht direkt und kollaborativ von einer Atomstruktur zur anderen übergehen, sondern auf unvorhersehbareren Wegen und unabhängig voneinander an ihren Bestimmungsort gelangen.

„Es wurde vorgeschlagen, dass das Material von einer kristallinen Struktur zur anderen übergehen würde, indem es einem deterministischen, gut definierten Mischen folgt“, sagte Olivier Delaire, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften bei Duke und einer der Leiter der Studie. „Stattdessen haben wir entdeckt, dass jedes Atom auch innerhalb eines einzigen Übergangs seine eigene Sache unabhängig von den anderen macht.“

„Die Störung, die wir gefunden haben, ist sehr stark, was bedeutet, dass wir überdenken müssen, wie wir all diese Materialien untersuchen, von denen wir dachten, dass sie sich einheitlich verhalten“, sagte Simon Wall, außerordentlicher Professor am Institut für Photonische Wissenschaften in Barcelona und einer der Leiter der Studie.

„Sie bewegen sich nicht sanft in ihre neuen Positionen, wie Bandmitglieder, die ein Feld hinunter marschieren; sie taumeln herum, wie Partiers, die eine Bar zur Schließzeit verlassen“, sagte Wall. „Wenn unser oberstes Ziel ist, das Verhalten dieser Materialien zu kontrollieren, damit wir sie von einer Phase zur anderen hin und her schalten können, ist es viel schwieriger, den betrunkenen Chor zu kontrollieren als die Marschkapelle.“

Um die Bedeutung der experimentellen Beobachtungen zu entschlüsseln, führte Delaires Gruppe bei Duke auch Supercomputersimulationen der atomaren Dynamik im Material durch. Die Simulationen liefen auf Supercomputern im National Energy Research Scientific Computing Center und in der Oak Ridge Leadership Computing Facility.

„Es war umwerfend, als mein Schüler Shan Yang mir die Ergebnisse ihrer Quantensimulationen von Atombewegungen zeigte“, fuhr Delaire fort. „Es passte fast perfekt zu den experimentellen „Filmen“ der aufgenommenen Röntgenintensitäten, auch ohne die Notwendigkeit von einstellbaren Parametern.“

Frühere Studien hatten keinen Zugang zu der von der LCLS angebotenen räumlichen und zeitlichen Auflösung und konnten nur Mittelwerte des atomaren Verhaltens des Materials messen. Aufgrund dieser Einschränkungen konnten sie die Bedeutung zufälliger Abweichungen von den durchschnittlichen Bewegungen der Vanadiumatome nicht erkennen.

Mit der Empfindlichkeit der LCLS konnten sich die Forscher jedoch ein viel klareres Bild davon machen, was vor sich ging.

„Es ist so ähnlich wie Astronomen, die den Nachthimmel studieren“, sagte Delaire. „Frühere Studien konnten nur die hellsten Sterne sehen, die mit bloßem Auge sichtbar waren. Aber mit den ultrahellen und ultraschnellen Röntgenpulsen konnten wir die schwachen und diffusen Signale der Milchstraße zwischen ihnen sehen.“

Diese und andere Studien sind der Schlüssel zum Verständnis des Verhaltens von photoanregten Materialien. So könnte beispielsweise die in dieser Studie offenbarte atomare Reaktion von Vanadin-Dioxid bei richtiger Nutzung die Grundlage für ultraschnelle Transistoren für Computer bilden, die Photonen und Elektronen kombinieren. Und auch bei der Verfolgung des Traums von Raumtemperatur-Supraleitern nutzen Forscher dieses Gesamtkonzept.

„Die neuen Erkenntnisse, die wir im Prozess des photoinduzierten Übergangs von Isolator zu Metall in Vanadiumdioxid gewonnen haben, sollten direkt relevant sein, um unser Verständnis von anderen Materialien neu zu bewerten“, sagte Delaire. „Wir beginnen gerade erst, diesen neuen Bereich zu erforschen, indem wir in der Lage sind, das Verhalten von Materialien zu kontrollieren, indem wir sie nur mit Licht bestrahlen, und indem wir modernste Röntgeneinrichtungen mit Supercomputern kombinieren, um das Geschehen zu verfolgen. Und wir stellen fest, dass die atomare Dynamik noch komplizierter ist, als wir bisher dachten.“

Mehr Informationen:
„Ultraschnelle Störung von Vanadium-Dimeren in photoangeregtem VO2 “ Science (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aau3873

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