Discovery permite a los científicos observar cómo se mueven los materiales 2D con una precisión ultrarrápida.
Utilizando una técnica nunca antes vista, los científicos han encontrado una nueva forma de usar algunos de los rayos X más potentes del mundo para descubrir cómo se mueven los átomos en una sola capa atómica a velocidades ultrarrápidas.
El estudio, dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y en colaboración con otras instituciones, incluida la Universidad de Washington y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del DOE, desarrolló una nueva técnica llamada dispersión de rayos X de superficie ultrarrápidaEsta técnica reveló la estructura cambiante de un cristal bidimensional atómicamente delgado después de ser excitado con un pulso láser óptico.
"Ampliar [la dispersión de rayos X de la superficie] para hacer ciencia ultrarrápida en materiales de una sola capa representa un avance tecnológico importante que puede mostrarnos mucho sobre cómo se comportan los átomos en las superficies y en las interfaces entre los materiales". - Científico de ArgonneHaidan Wen
A diferencia de las técnicas de dispersión de rayos X de superficie anteriores, este nuevo método va más allá de proporcionar una imagen estática de los átomos en la superficie de un material para capturar los movimientos de los átomos en escalas de tiempo tan cortas como billonésimas de segundo después de la excitación con láser.
La dispersión de rayos X de superficie estática y algo de dispersión de rayos X de superficie dependiente del tiempo se puede realizar en una fuente de rayos X sincrotrón, pero para hacer una dispersión de rayos X de superficie ultrarrápida los investigadores necesitaban usar la Fuente de Luz Coherente Linac LCLS Láser de rayos X de electrones libres en SLAC. Esta fuente de luz proporciona rayos X muy brillantes con exposiciones extremadamente cortas de 50 femtosegundos. Al entregar grandes cantidades de fotones a la muestra rápidamente, los investigadores pudieron generar un tiempo suficientemente fuerte.señal de dispersión resuelta, visualizando así el movimiento de los átomos en materiales 2D.
"La dispersión de rayos X en la superficie ya es bastante desafiante", dijo el físico de rayos X de Argonne Hua Zhou, autor del estudio. "Ampliarlo para hacer ciencia ultrarrápida en materiales de una sola capa representa un gran avance tecnológico que puedemuéstranos mucho sobre cómo se comportan los átomos en las superficies y en las interfaces entre materiales "
En los materiales bidimensionales, los átomos suelen vibrar ligeramente a lo largo de las tres dimensiones en condiciones estáticas. Sin embargo, en escalas de tiempo ultrarrápidas, emerge una imagen diferente del comportamiento atómico, dijo el físico de Argonne y autor del estudio, Haidan Wen.
Utilizando la dispersión de rayos X de superficie ultrarrápida, Wen y el investigador postdoctoral I-Cheng Tung dirigieron una investigación de un material bidimensional llamado diselenuro de tungsteno WSe 2 .En este material, cada átomo de tungsteno se conecta a dos átomos de selenio en forma de "V".Cuando el material de una sola capa se golpea con un pulso láser óptico, la energía del láser hace que los átomos se muevan dentro del plano del material, creando un efecto contraintuitivo.
"Normalmente esperarías que los átomos se muevan fuera del avión, ya que ahí es donde está el espacio disponible", dijo Wen. "Pero aquí los vemos vibrar en su mayoría dentro del avión justo después de la excitación".
Estas observaciones fueron respaldadas por cálculos de primer principio dirigidos por Aiichiro Nakano de la Universidad del Sur de California y el científico Pierre Darancet del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne CNM, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
El equipo obtuvo mediciones preliminares de dispersión de rayos X de superficie en la Fuente avanzada de fotones APS de Argonne, también una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Estas mediciones, aunque no se tomaron a velocidades ultrarrápidas, permitieron a los investigadores calibrar su enfoque parael láser de electrones libres LCLS, dijo Wen.
La dirección de los cambios atómicos y las formas en que los cambios en la red tienen efectos importantes sobre las propiedades de los materiales bidimensionales como WSe 2 según el profesor de la Universidad de Washington, Xiaodong Xu. "Debido a que estos materiales bidimensionales tienen propiedades físicas ricas, los científicos están interesados en usarlos para explorar fenómenos fundamentales, así como posibles aplicaciones en electrónica y fotónica", dijo.El movimiento de los átomos en cristales atómicos individuales es un verdadero avance y nos permitirá comprender y adaptar las propiedades de los materiales para las tecnologías relevantes para la energía ".
"Este estudio nos brinda una nueva forma de probar las distorsiones estructurales en los materiales 2-D a medida que evolucionan y comprender cómo se relacionan con las propiedades únicas de estos materiales que esperamos aprovechar para dispositivos electrónicos que usan, emiten o controlan", agregó Aaron Lindenberg, profesor de SLAC y de la Universidad de Stanford y colaborador en el estudio." Estos enfoques también son aplicables a una amplia clase de otros fenómenos interesantes y poco conocidos que ocurren en las interfaces entre los materiales ".
Un artículo basado en el estudio, "La dinámica estructural anisotrópica de los cristales monocapa revelados por la dispersión de rayos X en la superficie de femtosegundos", apareció en la edición en línea del 11 de marzo de Nature Photonics.
Otros autores en el estudio incluyeron investigadores de la Universidad de Washington, la Universidad del Sur de California, la Universidad de Stanford, SLAC y la Universidad de Kumamoto Japón. El APS, el CNM y el LCLS son instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Jared Sagoff. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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