Många människor föreställer sig elektrisk ledningsförmåga som flödet av laddade partiklar (främst elektroner) utan att egentligen tänka på atomstrukturen hos materialet genom vilket dessa laddningar rör sig. Men forskare som studerar "starkt korrelerade elektron" material som högtemperatursupraledare och de med starka svar på magnetism vet att bilden är alldeles för enkel. De vet att atomerna spelar en avgörande roll för att bestämma ett materials egenskaper.

Till exempel, elektriskt motstånd är en manifestation av elektroner som sprider sig från atomerna. Mindre uppenbart är konceptet att elektroner och atomer kan röra sig i samarbete för att stoppa laddningsflödet - eller, i den andra ytterligheten, få elektroner att flöda fritt utan motstånd.

Nu, ett team ledd av fysikern Yimei Zhu vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har tagit fram definitiva bevis för att elektronernas rörelse har en direkt effekt på atomarrangemang, driver deformationer i ett material 3D-kristallina gitter på sätt som drastiskt kan förändra strömflödet. Att hitta bevis för dessa starka elektron-gitter-interaktioner, känd som polaroner, Parlamentet betonar behovet av att kvantifiera deras inverkan på komplexa fenomen som supraledning (förmågan hos vissa material att bära ström utan energiförlust) och andra lovande egenskaper.

Som beskrivs i en artikel som just publicerats i Nature-partnertidskriften npj Quantum Materials , teamet utvecklade ett "ultrasnabb elektrondiffraktion"-system - en ny laserdriven bildteknik och den första i sitt slag i världen - för att fånga de subtila atomiska gitterdistorsionerna. Metoden har en utbredd potentiell tillämpning för att studera andra dynamiska processer.

"Tekniken liknar att använda stroboskopisk fotografering för att avslöja en bolls bana, ", sa Zhu. "Använder olika tidsfördröjningar mellan att kasta bollen och ta bilden, du kan fånga den dynamiska handlingen, " han sa.

Men för att avbilda dynamik på atomär skala, du behöver en mycket snabbare blixt och ett sätt att sätta objekt i subatomär skala i rörelse.

Maskinen som utvecklats av Brookhaven-teamet använder en laserpuls för att ge elektroner i ett provmaterial en "kick" av energi. På samma gång, en andra laser som delas från den första genererar mycket snabba skurar av högenergielektroner (2,8 megaelektronvolt) för att sondera provet. Elektronerna som utgör dessa 130 femtosekunders "blixtar" - var och en varar bara 0,000000000000013 sekunder - sprider sig från provet och skapar diffraktionsmönster som avslöjar atomernas positioner. Genom att variera tidsfördröjningen mellan pulsen och sonden, forskarna kan fånga de subtila förändringarna i atomarrangemang när gittret reagerar på de "uppsparkade" elektronerna.

"Detta liknar röntgendiffraktion, men genom att använda elektroner får vi en mycket större signal, och den höga energin hos sondelektronerna ger oss bättre tillgång till att mäta atomernas exakta rörelse, " sa Zhu. Plus, hans mikroskop kan byggas för en bråkdel av vad det skulle kosta att bygga en ultrasnabb röntgenljuskälla. "Det här är en "hembyggd" maskin."

Nyckelfynd

Forskarna använde denna teknik för att studera elektron-gitter-interaktionerna i en manganoxid, ett material av långvarigt intresse på grund av hur dramatiskt dess ledningsförmåga kan påverkas av närvaron av ett magnetfält. De upptäckte en kontrollant signatur av elektroner som interagerar med och ändrar formen på atomnätverket, nämligen, en tvåstegs "avslappning" uppvisad av de sparkade elektronerna och deras omgivande atomer.

I en normal avslappning i ett steg, elektroner som sparkas upp av en energiskur från en atomär plats till en annan anpassar snabbt sin "form" till den nya miljön.

"Men i starkt korrelerade material, elektronerna bromsas av interaktioner med andra elektroner och interaktioner med gittret, sa Weiguo Yin, en annan Brookhaven-fysiker som arbetar med studien. "Det är som en bilkö med många bilar som rör sig långsammare."

I själva verket svarar de negativt laddade elektronerna och positivt laddade atomkärnorna på varandra på ett sätt som får var och en att försöka anpassa sig till den andras "form". Så ett långsträckt elektronmoln, när man går in i ett symmetriskt atomrum, börjar anta en mer sfärisk form, samtidigt som atomerna som utgör gittret, skifta positioner för att försöka rymma det långsträckta elektronmolnet. I det andra steget, detta däremellan, knuffa mig, pull-you-arrangemanget slappnar gradvis av till vad som kan förväntas i en ettstegsavslappning.

"Detta tvåstegsbeteende, som vi kan se med vår ultrasnabba elektrondiffraktion, är beviset på att gittervibrationerna interagerar med elektronerna i rätt tid. De är beviset på att polaroner finns, " sa Yin.

Fyndet ger insikt i hur gitterresponsen hjälper till att generera den enorma minskningen av elektriskt motstånd som manganiter upplever i ett magnetfält - en effekt som kallas kolossal magnetoresistans.

"Elektronmolnformerna är kopplade till elektronernas magnetiska attribut, " Yin förklarade. "När de magnetiska momenten hos elektronerna är inriktade i ett magnetfält, elektronmolnformen och atomarrangemanget blir mer symmetriska och homogena. Utan att behöva spela push-me, dra-dig-spel, elektriska laddningar kan flöda lättare."

Detta arbete visar att en ultrasnabb laser snabbt kan modifiera elektroniska, magnetisk, och gitterdynamik i starkt korrelerade elektronmaterial - ett tillvägagångssätt som kan resultera i lovande nya tekniska tillämpningar, som ultrasnabbt minne eller andra höghastighets elektroniska enheter.

"Vår metod kan användas för att bättre förstå dessa dynamiska interaktioner, och föreslår att det också kommer att vara användbart för att studera andra dynamiska processer för att upptäcka dolda tillstånd och andra exotiska materiella beteenden, " sa Zhu.