När du snabbt bläddrar i en blädderbok, serien av statiska bilder ser ut som om de rör sig. Forskare använde nyligen en liknande princip för att fånga hur ett materials struktur förändras över extremt korta tidsskalor - bara trilliondelar av en sekund eller snabbare. För att spela in denna rörelse i atomskala, de behövde ett specialinstrument inrymt vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory.

"Detta ultrasnabba elektrondiffraktionsinstrument, som har elektronstrålar med en energi på en miljon elektronvolt, designades och gjordes i hus, "sa Jing Tao, en fysiker vid Brookhaven Labs avdelning för kondenserad materia fysik och materialvetenskap (CMPMS) och motsvarande författare på Tillämpad fysikbokstäver papper som rapporterar arbetet. "Vi samarbetade med Labs Accelerator Test Facility för att säkerställa att temperaturen, fuktighet, och andra miljöförhållanden förblev stabila och att instrumentet var korrekt anpassat. "

Dagens elektronmikroskop kan lösa enstaka atomer, men vanligtvis bara vid exponeringstider i storleksordningen sekunder. Dock, atomer rör sig mycket snabbare än så.

"Vi tittar på strukturell dynamik som händer inom hundratals femtosekunder till några få picosekunder, "sa författaren Junjie Li, en fysiker vid CMPMS -avdelningen. "Som referens, en femtosekund motsvarar en kvadriljondel av en sekund. "

I den här studien, forskarna undersökte strukturen hos nanokristaller av kopparsulfid. Över en viss temperatur, kopparsulfid genomgår en övergång där dess kristallstruktur förändras från en lågsymmetri till en högsymmetrifas. Under denna fasövergång, dess kopparjoner blir mycket rörliga, gör det till ett lovande material för nästa generations elektrokemiska och termoelektriska enheter, som batterier och elektriska strömbrytare.

"Alla materialegenskaper har ett strukturellt ursprung, "sa Tao." Att identifiera och förstå mekanismen som driver ett materials struktur är nyckeln till att förbättra dess prestanda för verkliga applikationer. "

Materialets optimala egenskaper dyker ofta upp vid fasövergångar som involverar samtidiga förändringar i kristallsymmetri, elektronisk struktur, och magnetisk känslighet, vilket gör det svårt att bestämma den primära kraften som driver övergången. Tidigare experiment utförda av andra grupper visade att strukturfasövergången i kopparsulfid orsakades av en diffusion av kopparjoner. Sedan, Brookhaven-teamet upptäckte att kontinuerligt ökande eller minskande av antalet elektroner som pumpades in i materialet över tid fick dess kristallstruktur att pendla mellan låg- och högsymmetrifaserna vid rumstemperatur.

"Vi blev förvånade över att upptäcka att en minimal förändring av elektrondoshastigheten medför en enorm kollektiv rörelse av kopparjoner eftersom det visade att övergången i strukturfasen på något sätt är relaterad till elektronisk manipulation, "sa Tao." Vi visste att det måste finnas ett inneboende förhållande, men hade inga bevis. Femtosekundens tidsupplösning från vårt instrument gjorde det möjligt för oss att se hur kopparjonernas rörelse är korrelerad med förändringar i elektronisk struktur. "

För att initiera den strukturella övergången, forskarna "pumpade" materialet med laserpulser, föra den till sitt upphetsade energitillstånd. Efter välkontrollerade tidsfördröjningar, de skickade sedan elektronpulser genom provet och registrerade hur elektronerna sprids. De resulterande elektrondiffraktionsmönstren avslöjade materialets kristallstruktur vid de exakta ögonblick som elektronstrålen interagerade med det. Genom att kombinera dessa strukturella "ögonblicksbilder" tagna vid olika tidsfördröjningar mellan laser- och elektronpulserna, de producerade en film som fångar hur strukturen utvecklas från början till slutet av fasövergången.

Vid analys av elektrondiffraktionssignaturer, Li blev chockad över att upptäcka att strukturfasövergången involverade två separata processer som ägde rum på mycket olika tidsskalor.

"Jag fann att kristallsymmetrin, eller hur jonerna ordnar sig, bryter på två pikosekunder, och kristallgitterets volym expanderar från 10 till 20 pikosekunder, "sa Li." Fram tills nu, forskare hade trott att symmetrin och volymen förändrades samtidigt. På grund av otillräcklig tidsupplösning, de kunde bara ta en ögonblicksbild i början av övergången och en annan i slutet och fångade därmed inte vad som hände däremellan. "

Det visar sig att tidsskalan för kristallsymmetriförändringen sammanfaller med den för en annan process:elektronisk bäraravslappning, eller förflyttning av elektroner från ett upphetsat energitillstånd (inducerat av laserexcitationen) till marktillståndet. Med tanke på denna slump, Brookhaven -teamet tror att interaktioner mellan elektroner och atomer som vibrerar i gitteret (fononer) kan ligga bakom kristalsymmetriövergången.

"Det faktum att båda processerna sker vid två pikosekunder tyder starkt på att elektron-fononkoppling styr övergången, "sa Li." Forskare tror att elektron-fononkoppling spelar en mycket viktig roll i många starkt korrelerade och kvantmaterial med framväxande egenskaper-till exempel superledare, som kan bära el utan motstånd, och multiferroics, som uppvisar spontana magnetiska och elektriska polarisationer. Men denna mekanism är fortfarande inte helt förstådd, även efter årtionden av forskning. "

Nu när forskarna har rätt utrustning för att fånga ultrasnabb strukturell dynamik, de hoppas kunna hitta ursprunget till fasövergångar i andra material.

"Det vetenskapliga samfundet tog för givet att kristall symmetri brytning och gitter expansion sker tillsammans, "sa Tao." Möjligheten att separera dessa processer är ett genombrott som hjälper oss att förstå struktur-egenskap-relationer i ett brett spektrum av material. "