Aparat trwający bilion sekund rejestruje bałagan w akcji: ScienceAlert

Aby zrobić zdjęcie, najlepsze aparaty cyfrowe na rynku otwierają migawkę na około jedną cztery tysięczną sekundy.

Aby sfotografować aktywność atomową, potrzebujesz migawki, która klika szybciej.

Mając to na uwadze, naukowcy opracowali sposób na osiągnięcie czasu otwarcia migawki wynoszącego zaledwie jedną bilionową sekundy, czyli 250 milionów razy szybciej niż w przypadku aparatów cyfrowych. Dzięki temu jest w stanie uchwycić coś bardzo ważnego w materiałoznawstwie: dynamiczną turbulencję.

Mówiąc najprościej, dzieje się tak, gdy grupy atomów w materiale poruszają się i tańczą w określony sposób przez określony czas — na przykład z powodu wibracji lub zmiany temperatury. Nie jest to zjawisko, które jeszcze w pełni rozumiemy, ale jest ważne dla właściwości i interakcji materiałów.

Nowy ultraszybki system czasu otwarcia migawki, zaprezentowany w marcu tego roku, daje nam jeszcze lepszy wgląd w to, co dzieje się z dynamicznymi turbulencjami. Naukowcy określają swój wynalazek jako funkcję rozkładu zmiennej pary atomowej migawki, w skrócie vsPDF.

„Tylko dzięki temu nowemu narzędziu vsPDF możemy naprawdę zobaczyć tę stronę materiału” Powiedział Materiałoznawca Simon Billinge z Columbia University w Nowym Jorku.

„Dzięki tej technologii będziemy mogli oglądać materiał i zobaczyć, które atomy są w tańcu, a które siedzą”.

Krótszy czas otwarcia migawki rejestruje dokładniejsze ujęcie czasu, co pomaga szybko poruszającym się obiektom, takim jak szybko wibrujące atomy. Na przykład użyj krótkiego czasu otwarcia migawki do zdjęcia z gry sportowej, a w kadrze pojawią się rozmyci zawodnicy.

Aby uzyskać niezwykle szybką migawkę, vsPDF wykorzystuje neutrony do pomiaru pozycji atomów zamiast tradycyjnych technik obrazowania. Sposób, w jaki neutrony uderzają i przechodzą przez materię, można śledzić w celu pomiaru otaczających atomów, przy czym zmiany poziomów energii są równoważne z dostosowaniem czasu otwarcia migawki.

Te różnice w czasie otwarcia migawki są znaczące, oprócz jednej bilionowej sekundy czasu otwarcia migawki: są one niezbędne do wyodrębnienia turbulencji dynamicznych od pokrewnych i różnych turbulencji statycznych — naturalnego tła wibrującego w miejscu rozebranych atomów. Zwiększ funkcjonalność materiału.

„Daje nam to zupełnie nowy sposób na rozwikłanie złożoności tego, co dzieje się w złożonych materiałach, oraz ukrytych wpływów, które mogą wzmocnić ich właściwości”. Powiedział Faktury.

W tym przypadku naukowcy wyszkolili swoją kamerę neutronową na materiale o nazwie Tellurek germanu (GeTe), który jest szeroko stosowany ze względu na swoje specjalne właściwości do przekształcania ciepła odpadowego w energię elektryczną lub energii elektrycznej w chłodzenie.

Kamera ujawniła, że ​​GeTe pozostała krystaliczna, pośrodku, we wszystkich temperaturach. Jednak w wyższych temperaturach wykazywał bardziej dynamiczny nieład, ponieważ atomy wymieniały ruch na energię cieplną zgodnie z gradientem odpowiadającym kierunkowi spontanicznej polaryzacji elektrycznej materiału.

Lepsze zrozumienie tych struktur fizycznych poprawia naszą wiedzę na temat działania termoelektryków, umożliwiając nam opracowywanie lepszych materiałów i sprzętu — takich jak instrumenty zasilające łaziki marsjańskie, gdy światło słoneczne nie jest dostępne.

Dzięki modelom opartym na obserwacjach zarejestrowanych przez nową kamerę można poprawić naukowe zrozumienie tych materiałów i procesów. Jednak nadal pozostaje wiele do zrobienia, aby przygotować vsPDF jako powszechnie stosowaną metodę testowania.

„Oczekujemy, że opisana tutaj technologia vsPDF stanie się standardowym narzędziem do uzgadniania lokalnych i pośrednich struktur w materiałach energetycznych” – stwierdzili naukowcy. wytłumaczyć w ich gazecie.

Badania opublikowane w materiały natury.

Poprzednia wersja tego artykułu została opublikowana w marcu 2023 r.