Att träffa ett material med laserljus sänder vibrationer som skvalpar genom dess gitter av atomer, och samtidigt knuffa ihop gitteret till en ny konfiguration med potentiellt användbara egenskaper - att förvandla en isolator till en metall, till exempel.

Tills nu, forskare antog att allt hände på ett smidigt sätt, samordnat sätt. Men två nya studier visar att det inte gör det:När du ser bortom det genomsnittliga svaret på atomer och vibrationer för att se vad de gör individuellt, svaret, de hittade, är oordning.

Atomer rör sig inte smidigt till sina nya positioner, som bandmedlemmar som marscherar nerför ett fält; de vacklar runt som fester som lämnar en bar vid stängningstid.

Och laserutlösta vibrationer dör inte bara ut; de utlöser mindre vibrationer som utlöser ännu mindre, sprider ut sin energi i form av värme, som en flod som förgrenar sig till ett komplext nätverk av bäckar och nitar.

Detta oförutsägbara beteende i liten skala, mätt för första gången med en ny röntgenlaserteknik vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, måste beaktas från och med nu när man studerar och designar nytt material, sa forskarna - särskilt kvantmaterial med potentiella tillämpningar i sensorer, smarta fönster, energilagring och konvertering och supereffektiva elektriska ledare.

Två separata internationella lag, inklusive forskare vid SLAC och Stanford University som utvecklade tekniken, rapporterade resultaten av deras experiment den 20 september Fysiska granskningsbrev och idag i Vetenskap .

"Störningen vi fann är mycket stark, vilket innebär att vi måste tänka om hur vi studerar alla dessa material som vi trodde uppförde sig på ett enhetligt sätt, "sa Simon Wall, en docent vid Institute of Photonic Sciences i Barcelona och en av tre ledare för studien rapporterade i Vetenskap . "Om vårt yttersta 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 styra den berusade kören än marschbandet. "

Lyfter diset

Det klassiska sättet att bestämma atomstrukturen i en molekyl, antingen från ett konstgjort material eller en mänsklig cell, är att slå den med röntgenstrålar, som studsar ut och sprids i en detektor. Detta skapar ett mönster av ljusa prickar, kallade Bragg -toppar, som kan användas för att rekonstruera hur dess atomer är ordnade.

SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), med sina superljusa och supersnabba röntgenlaserpulser, har gjort det möjligt för forskare att bestämma atomstrukturer i allt mer detalj. De kan till och med ta snabbavfyrade ögonblicksbilder av kemiska bindningar som bryts, till exempel, och sätt ihop dem för att göra "molekylära filmer".

För ungefär ett dussin år sedan, David Reis, professor vid SLAC och Stanford och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), undrade om en svag dis mellan ljuspunkterna i detektorn - 10, 000 gånger svagare än de ljuspunkterna, och betraktas som bakgrundsbrus - kan också innehålla viktig information om snabba förändringar i material som induceras av laserpulser.

Han och SIMES -forskaren Mariano Trigo utvecklade en teknik som kallas "ultrasnabb diffus spridning" som extraherar information från diset för att få en mer fullständig bild av vad som händer och när.

De två nya studierna representerar första gången tekniken har använts för att observera detaljer om hur energi försvinner i material och hur ljus utlöser en övergång från en fas, eller ange, av ett material till ett annat, sade Reis, som tillsammans med Trigo är medförfattare till båda tidningarna. Dessa svar är intressanta både för att förstå materialens grundläggande fysik och för att utveckla applikationer som använder ljus för att slå på och av materialegenskaper eller omvandla värme till elektricitet, till exempel.

"Det är ungefär som astronomer som studerar natthimlen, "sa Olivier Delaire, en docent vid Duke University som hjälpte till att leda en av studierna. "Tidigare studier kunde bara se de ljusaste stjärnorna som är synliga för blotta ögat. Men med de ultralätta och ultrasnabba röntgenpulserna, vi kunde se de svaga och diffusa signalerna från Vintergatans galax mellan dem. "

Små klockor och pianosträngar

I studien publicerad i Fysiska granskningsbrev , Reis och Trigo ledde ett team som undersökte vibrationer som kallas fononer som skramlar med atomgitteret och sprider värme genom ett material.

Forskarna visste att gå in i de fononerna som utlöses av laserpulser förfaller, släppa sin energi genom hela atomgitteret. Men vart tar all energi vägen? Teoretiker föreslog att varje fonon måste utlösa andra, mindre fononer, som vibrerar vid högre frekvenser och är svårare att upptäcka och mäta, men dessa hade aldrig setts i ett experiment.

För att studera denna process vid LCLS, laget slog en tunn film av vismut med en puls av optiskt laserljus för att sätta igång fononer, följt av en röntgenlaserpuls cirka 50 kvadrilliondelar av en sekund senare för att registrera hur fononerna utvecklades. Experimenten leddes av doktoranden Tom Henighan och postdoktor Samuel Teitelbaum från Stanford PULSE Institute.

För första gången, Trigo sa, de kunde observera och mäta hur de ursprungliga fononerna fördelade sin energi över ett större område genom att utlösa mindre vibrationer. Var och en av dessa små vibrationer härrör från en distinkt fläck atomer, och storleken på lappen - om den innehöll 7 atomer, eller 9, eller 20 – bestämmer vibrationsfrekvensen. Det var ungefär som om en stor klocka ringer när små klockor klirrar i närheten, eller hur plockning av en pianosträng sätter andra strängar att nynna.

"Det här är något vi har väntat i åratal på att kunna göra, så vi var glada, ", sa Reis. "Det är ett mått på något som är absolut grundläggande för modern fysik i fast tillstånd, för allt från hur värme flödar i material till jämn, i princip, hur ljusinducerad supraledning framträder, och det kunde inte ha gjorts utan en röntgenfri elektronlaser som LCLS. "

En oordning marsch

Paper in Science beskriver LCLS -experiment med vanadiumdioxid, ett välstuderat material som kan vända från att vara en isolator till en elektrisk ledare på bara 100 kvadriljondelar av en sekund.

Forskare visste redan hur man utlöser den här switchen med mycket kort, ultrasnabba pulser av laserljus. Men fram till nu kunde de bara observera atomernas genomsnittliga svar, som tycktes blanda sig in i sina nya positioner på ett ordnat sätt, sa Delaire, som ledde studien med Wall och Trigo.

Den nya omgången av diffusa spridningsexperiment vid LCLS visade något annat. Genom att slå vanadiumdioxid med en optisk laser med precis rätt energi, forskarna kunde utlösa en väsentlig omorganisation av vanadinatomerna. De gjorde detta mer än 100 gånger per sekund medan de registrerade enskilda atomers rörelser med LCLS-röntgenlasern. De upptäckte att varje atom följde en oberoende, till synes slumpmässig väg till sin nya gallerposition. Datorsimuleringar av Duke-studenten Shan Yang stödde denna slutsats.

"Våra resultat tyder på att störning kan spela en viktig roll i vissa material, "skrev teamet i Science paper. Även om detta kan komplicera ansträngningarna att kontrollera hur material skiftar från en fas till en annan, de tillade, "Det kan i slutändan ge ett nytt perspektiv på hur man kontrollerar materia, "och till och med föreslå ett nytt sätt att framkalla supraledning med ljus.

I en kommentar som åtföljer rapporten i Vetenskap , Andrea Cavalleri från Oxford University och Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter sa att resultaten tyder på att molekylära filmer av atomer som ändrar position över tid inte målar upp en fullständig bild av den inblandade mikroskopiska fysiken.

Han lade till, "Mer allmänt, det är klart från detta arbete att röntgenfria elektronlasrar öppnar upp mycket mer än vad som var tänkt när dessa maskiner planerades, tvingar oss att omvärdera många gamla föreställningar som tagits för givet fram till nu. "