Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Μπράουν και στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν πέτυχαν κάτι που οι επιστήμονες μόνο φαντάζονταν μέχρι τώρα. Τακτοποιώντας προσεκτικά μικροσκοπικά σωματίδια αργύρου μέσα σε δομές κατά παραγγελία, δημιούργησαν και σταθεροποίησαν μια προηγουμένως άπιαστη κατάσταση της ύλης που υπήρχε μόνο σε θεωρητικά μοντέλα.
Έργα, δημοσιευμένα επιστήμηΚαταγράφει μια ενδιάμεση δομική κατάσταση που εμφανίζεται κατά τη μετάβαση μεταξύ δύο κοινών κρυσταλλικών δομών που βρίσκονται στα μέταλλα. Εκτός από την αποκάλυψη νέων λεπτομερειών σχετικά με το πώς συμβαίνουν αυτές οι μεταβάσεις, το πρόσφατα δημιουργημένο υλικό παρουσιάζει ασυνήθιστη οπτική συμπεριφορά που θα μπορούσε τελικά να είναι χρήσιμη για κβαντικούς υπολογιστές και άλλες τεχνολογίες κβαντικών πληροφοριών.
Ευρύτερα, η έρευνα καταδεικνύει μια νέα τεχνική για το σχεδιασμό υλικών από κάτω προς τα πάνω, συναρμολογώντας ειδικά κατασκευασμένα νανοσωματίδια σε εντελώς νέες δομές με προσαρμοσμένες ιδιότητες.
«Η δουλειά μας μοιάζει λίγο με παιδιά που παίζουν με μπλοκ Lego», δήλωσε ο Ou Chen, αναπληρωτής καθηγητής χημείας στο Brown και αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης. “Συνθέτουμε μοναδικά δομικά στοιχεία νανοκλίμακας και τα στοιβάζουμε σε ενδιαφέρουσες δομές. Σε αυτή την περίπτωση, μπορέσαμε να σταθεροποιήσουμε αυτές τις θεωρητικές μεταβατικές δομές και να επιδείξουμε σημαντικές κβαντικές οπτικές ιδιότητες.”
Αποτύπωση ενός βήματος που λείπει στον κρυσταλλικό μετασχηματισμό
Πολλά μέταλλα οργανώνουν φυσικά τα άτομά τους σε μία από τις δύο κρυσταλλικές διατάξεις που είναι γνωστές ως προσωποκεντρικό κυβικό (FCC) και κυβικό με κέντρο το σώμα (BCC).
Σε μια δομή FCC, τα σωματίδια συσκευάζονται όσο πιο σφιχτά γίνεται. Καταλαμβάνουν κάθε γωνία καθώς και το κέντρο κάθε όψης ενός κύβου. Μια δομή BCC είναι ελαφρώς λιγότερο πυκνά συσκευασμένη, με σωματίδια που βρίσκονται στις γωνίες του κύβου και ένα μόνο σωματίδιο στο κέντρο του κύβου.
Ορισμένα μέταλλα μπορούν να αλλάξουν μεταξύ αυτών των συστημάτων όταν θερμαίνονται. Ο σίδηρος, για παράδειγμα, αλλάζει από δομή BCC σε δομή FCC στους 912 °C.
Οι επιστήμονες έχουν προτείνει διάφορες εξηγήσεις για το πώς συμβαίνει αυτός ο μετασχηματισμός. Ένα κορυφαίο μοντέλο, γνωστό ως μονοπάτι Nishiyama-Wasserman, προβλέπει μια σειρά από βραχύβιες ενδιάμεσες δομές που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της μετάβασης. Επειδή αυτές οι ενδιάμεσες φάσεις είναι εξαιρετικά ασταθείς, είναι εξαιρετικά δύσκολο να παρατηρηθούν άμεσα.
Αυτή η νέα έρευνα πέτυχε να αναδημιουργήσει και να σταθεροποιήσει αυτές τις παροδικές δομικές καταστάσεις χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια αργύρου.
«Οι επιστήμονες υλικών ενδιαφέρονται εδώ και καιρό πώς να ελέγχουν την ποσότητα FCC και BCC στα μέταλλα τους, αλλά οι μεταβάσεις μεταξύ αυτών των φάσεων είναι δύσκολο να μελετηθούν επειδή είναι τόσο ασταθείς», δήλωσε ο Tim Moore, συν-συγγραφέας της μελέτης και βοηθός ερευνητής που εργάζεται στο εργαστήριο της Sharon Glotzer στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν. «Το να μπορούμε να παρατηρούμε αυτές τις δομές είναι μια θεμελιώδης πρόοδος στην επιστήμη των υλικών και μας δίνει μεγαλύτερο έλεγχο στη μηχανική νανοϋλικών».
Δημιουργία νέων υλικών από προσαρμοσμένα νανοσωματίδια
Για να δημιουργήσουν τη νέα δομή, οι ερευνητές συνέθεσαν νανοσωματίδια αργύρου, τα οποία ονόμασαν «mecon». Αυτά τα σωματίδια έχουν σχήμα διαμαντιού με τις γωνίες τους κομμένες, δημιουργώντας μια γεωμετρία 14 πλευρών.
Σύμφωνα με τον Chen, το σχήμα είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό επειδή πέφτει ανάμεσα σε μια σφαίρα και έναν κύβο, δύο μορφές που συνδυάζονται φυσικά με διαφορετικούς τρόπους.
Η ομάδα, με επικεφαλής τον Yasutaka Nagaoka, ανώτερο ερευνητή και επικεφαλής συγγραφέα της μελέτης, προσάρμοσε τις συνθήκες θέρμανσης κατά τη σύνθεση για να δημιουργήσει mecon με ποικίλους βαθμούς κυκλικών και κυβικών χαρακτηριστικών. Στη συνέχεια επικάλυψαν τα σωματίδια με μακριές μοριακές αλυσίδες που λειτουργούν σαν κολλώδεις σύνδεσμοι και τους επέτρεψαν να συναρμολογηθούν σε μεγαλύτερες, διατεταγμένες δομές γνωστές ως υπερπλέγματα νανοσωματιδίων.
Συνδυάζοντας εργαστηριακές παρατηρήσεις με λεπτομερείς προσομοιώσεις υπολογιστή που πραγματοποιήθηκαν σε συνεργασία με την ομάδα του Glotzer στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτές οι μοριακές επικαλύψεις έπαιξαν σημαντικό ρόλο στη σταθεροποίηση συστημάτων που αντιστοιχούσαν στις μεταβατικές δομές που προβλέπονται από το μονοπάτι Nishiyama-Wasserman.
«Μπορείτε να τα φανταστείτε ως γούνινα σωματίδια», είπε ο Μουρ. «Οι τρίχες είναι αρκετά εύκαμπτες ώστε τα σωματίδια να έχουν περισσότερη ελευθερία να κινούνται, αλλά ταιριάζουν καλά μεταξύ τους, κάτι που επιτρέπει στα σωματίδια να πλέξουν μεταξύ τους».
Κβαντικό οπτικό εφέ θερμοκρασίας δωματίου
Τα πρόσφατα συντιθέμενα υπερδικτυώματα αργύρου παρουσίασαν μια άλλη αξιοσημείωτη ιδιότητα όταν εκτέθηκαν στο φως.
Οι ερευνητές είδαν σημάδια σύζευξης φωτός-ύλης βαθιάς ενέργειας, ένα φαινόμενο όπου τα ηλεκτρόνια μέσα σε νανοσωματίδια αργύρου ταλαντώνονται σε τέλειο συγχρονισμό με τα κύματα φωτός και παγιδεύονται κβαντομηχανικά.
Τέτοια κβαντικά οπτικά φαινόμενα συχνά συνδέονται με εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, το νέο υλικό φαίνεται να παρουσιάζει αυτή τη συμπεριφορά σε θερμοκρασία δωματίου.
Το εύρημα θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για την ανάπτυξη μελλοντικών υλικών που χρησιμοποιούνται στον κβαντικό υπολογισμό, την τεχνολογία ανίχνευσης και άλλα προηγμένα κβαντικά συστήματα.
“Όποτε είστε σε θέση να προσδιορίσετε μια νέα φάση της ύλης, νέες εφαρμογές θα εμφανιστούν”, είπε ο Chen.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από πολλαπλές επιχορηγήσεις από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 213828, 2130285). 2137603, 2138296) και Τμήμα Ενέργειας (DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975).
