Upptäckter och framsteg inom materialvetenskap lägger ofta grunden för tekniska genombrott som omformar många industriella och kommersiella områden, inklusive medicin, konsumentelektronik och energiproduktion, för att nämna några.
Ändå är utvecklingen av experimentella tekniker avgörande för utforskningen av nya material, vilket banar väg för banbrytande upptäckter. Dessa tekniker gör det möjligt för forskare att fördjupa sig i ett materials kemiska och fysikaliska egenskaper, och låsa upp insikter som är nödvändiga för att förverkliga deras potentiella tillämpningar.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Journal of Physical Chemistry A , ett forskarlag ledd av docent Kaori Niki från Chiba University, Japan, rapporterade om en ny metod för att experimentellt visualisera molekylära orbitaler (MOs) – fördelningen och tillståndet för elektroner i en given molekyl.
Deras senaste artikel, som lämnades in den 29 september 2023 och publicerades online den 26 mars 2024, var medförfattare av Rena Asano och Prof. Manabu Hagiwara från Chiba University, Prof. Yoichi Yamada från University of Tsukuba, och Prof. . Kazushi Mimura från Hiroshima City University.
Den föreslagna metoden är centrerad kring photoemission orbital tomography (POT). Denna teknik består av att mäta fördelningen och rörelsemängden hos elektroner som frigörs runt ett material efter att ha absorberat energi från inkommande ljus. Genom att kartlägga dessa variabler kan man sedan teoretiskt räkna ut materialets MOs.
Trots att den är lovande står traditionell POT inför flera utmaningar som i hög grad begränsar dess tillämpbarhet. Först behövs flera omgångar av POT-mätningar för att undersöka materialet vid olika fotonenergier och rekonstruera tredimensionella MO. Detta tar tid och kräver komplexa experimentella protokoll.
För det andra, för att korrekt redogöra för skillnader i molekylär orientering och deformationer i ett givet material, är det nödvändigt att kombinera POT med andra analytiska tekniker, vilket är ganska dyrt och tråkigt. För det tredje är traditionella POT-tekniker känsliga för brus i de uppmätta data, vilket gör det svårt att observera små MO.
För att ta itu med alla dessa begränsningar utvecklade Prof. Nikis team en ny POT-teknik baserad på ett matematiskt analysverktyg som kallas PhaseLift-algoritmen. Denna algoritm är utformad för att lösa ett grundläggande problem inom signal- och bildbehandling:att rekonstruera en signal eller bild från ofullständiga eller indirekta mätningar.
Med hjälp av PhaseLift förenklade forskarna fotoelektronmomentumkartorna (PMM) som erhållits genom POT till en mer hanterbar form, vilket i sin tur gjorde det möjligt för dem att enklare och mer exakt beräkna de önskade MOs.
En av de viktigaste fördelarna med det föreslagna tillvägagångssättet är att exakta MOs kan erhållas från en enda uppsättning PMM-mätningar. Dessutom är den mycket bättre på att hantera bullriga data. Detta är delvis tack vare den smarta användningen av sparsitetsbaserade tekniker, som begränsar utrymmet där lösningar på MO anses vara endast de mest relevanta molekylära orbitalen.
Både teoretiska analyser, såväl som experimentella tester, bekräftade giltigheten av denna innovativa metod, vilket visade upp dess potential. "Denna forskning var ett samarbete mellan matematiker, informationsteoretiker och fysikaliska forskare och inkluderade specifikt både experimentalister och teoretiker", förklarar Prof. Niki.
"Genom att utnyttja deras expertis har vi uppnått framgångsrik tvärvetenskaplig fusionsforskning. Denna samarbetsstrategi har gjort det möjligt för oss att övervinna tidigare utmaningar och leverera en POT-metod som lovar bredare tillgänglighet och tillämpbarhet", tillade hon.
Med den föreslagna tekniken kommer forskare att lättare kunna visualisera de elektroniska tillstånden hos molekyler i tunnfilmsmaterial. Detta kommer i sin tur att hjälpa till att bättre förstå ursprunget till alla relevanta fysiska egenskaper, vilket leder till nya smarta materialdesigner och ytterligare innovationer inom tillämpad vetenskap.
"Vår utvecklade metod representerar ett genombrott i visualiseringen av de elektroniska tillstånden hos material som tidigare var utmanande att observera", säger Prof. Niki.
Prof. Niki och teamet inser den enorma potential som PhaesLift-baserade POT erbjuder, och hoppas att bli pionjärer inom detta framväxande forskningsfält. "I väntan på den globala spridningen av PMM hoppas jag att vi kan etablera ett center specialiserat på PMM-analys före resten av världen", säger hon.
"Detta kärninstitut kommer förhoppningsvis att bli ett nav för innovation och driva utvecklingen av många nya material som kommer att stödja den japanska ekonomin under nästa halvsekel."
Mer information: K. Niki et al, Photoemission Orbital Tomography Using a Robust Sparse PhaseLift, The Journal of Physical Chemistry A (2024). DOI:10.1021/acs.jpca.3c06506
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry A
Tillhandahålls av Chiba University
