Forskare har kikat bakom ridån för den ultrasnabba fasövergången av vanadindioxid och funnit att dess atomära teatrar är mycket mer komplicerade än de trodde. Det är ett material som har fascinerat forskare i årtionden för dess förmåga att gå från att vara en elektrisk isolator till en ledare.

Studien, som förekommer 2 nov i journalen Vetenskap , är ett samarbete mellan forskare vid Duke University, SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford, Barcelona Institute of Science and Technology, Oak Ridge National Laboratory, och Japan Synchrotron Radiation Research Institute.

Vanadindioxid har studerats intensivt av forskare i mer än fem decennier på grund av dess ovanliga förmåga att byta från isolator till ledare vid den bekvämt uppnåbara temperaturen på 152 grader Fahrenheit. Även om andra material också är kapabla till denna övergång, de flesta förekommer långt under rumstemperatur, gör vanadindioxid till ett bättre alternativ för praktiska tillämpningar.

På senare tid, materialforskare har utforskat hur samma fasövergång äger rum när materialets atomstruktur exciteras av en extremt kort, ultrasnabb laserpuls. Det som gör fenomenet så utmanande att studera är den anmärkningsvärda hastigheten med vilken det sker - cirka 100 femtosekunder. Det är en tiondels miljondels miljondels sekund.

Den ultraljusa röntgenpulsen vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), dock, är ännu snabbare.

Genom att trigga vanadindioxidens elektriska fasövergång med en femtosekundlaser och sedan pinga dess atomer med röntgenpulser bara tiotals femtosekunder långa, forskare kunde se övergången utvecklas i full detalj för första gången. De fann att, snarare än att övergå från en atomstruktur till en annan i en direkt, samarbetssätt, vanadinatomerna anlände till sina destinationer via mer oförutsägbara vägar och oberoende av varandra.

"Det föreslogs att materialet skulle gå från den ena kristallina strukturen till den andra genom att följa en deterministisk, väldefinierad blandning, sa Olivier Delaire, docent i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke och en av ledarna för studien. "Istället upptäckte vi att även inom en enda övergång, varje atom gör sin egen sak oberoende av de andra."

"Störningen vi hittade är mycket stark, vilket innebär att vi måste tänka om hur vi studerar alla dessa material som vi trodde uppträdde på ett enhetligt sätt, sa Simon Wall, en docent vid Institutet för fotoniska vetenskaper i Barcelona och en av ledarna för studien.

"De flyttar inte smidigt in i sina nya positioner som bandmedlemmar som marscherar nerför ett fält; de vacklar runt som festspelande som lämnar en bar vid stängningstid, ", sa Wall. "Om vårt slutliga mål är att kontrollera beteendet hos dessa material så att vi kan byta dem fram och tillbaka från en fas till en annan, det är mycket svårare att kontrollera den berusade kören än marschorkestern."

För att reda ut innebörden av de experimentella observationerna, Delaires grupp på Duke ledde också superdatorsimuleringar av atomär dynamik i materialet. Simuleringarna kördes på superdatorer vid National Energy Research Scientific Computing Center och Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"Det var häpnadsväckande när min elev Shan Yang visade mig resultaten av hennes kvantsimuleringar av atomrörelser, " fortsatte Delaire. "Det matchade nästan perfekt de experimentella "filmerna" av inspelade röntgenintensiteter, även utan behov av justerbara parametrar."

Tidigare studier hade inte tillgång till den rumsliga och tidsmässiga upplösningen som erbjuds av LCLS, och kunde bara mäta medelvärden av materialets atomära beteenden. På grund av dessa begränsningar, de kunde inte se vikten av slumpmässiga avvikelser från vanadinatomernas genomsnittliga rörelser.

Men med LCLS:s känslighet, forskare kunde få en mycket tydligare bild av vad som pågick.

"Det är ungefär som astronomer som studerar natthimlen, ", sa Delaire. "Tidigare studier kunde bara se de ljusaste stjärnorna som var synliga för blotta ögat. Men med de ultraljusa och ultrasnabba röntgenpulserna, vi kunde se de svaga och diffusa signalerna från Vintergatans galax mellan dem."

Den här studien, och andra gillar det, är nyckeln till att förstå beteendet hos fotoexciterade material. Till exempel, om den används på rätt sätt, den atomreaktion av vanadindioxid som avslöjas i denna studie kan ligga till grund för ultrasnabba transistorer för datorer som kombinerar fotoner och elektroner. Och forskare använder också detta allmänna koncept i jakten på drömmen om rumstemperatursupraledare.

"Den nya kunskapen vi fick i processen för den fotoinducerade övergången från isolator till metall i vanadindioxid borde vara direkt relevant för att omvärdera vår förståelse av andra material, " sa Delaire. "Vi har precis börjat utforska den här nya sfären av att kunna kontrollera materialens beteenden bara genom att lysa ljus på dem, och kombinera toppmoderna röntgenanläggningar med superdatorer för att följa vad som händer. Och vi får reda på att den inblandade atomära dynamiken är ännu mer komplicerad än vi tidigare trott."