Genom att använda en röntgenteknik tillgänglig på National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), forskare fann att metallisolatorövergången i det korrelerade materialet magnetit är en tvåstegsprocess. Forskarna från University of California Davis publicerade sin uppsats i tidskriften Fysiska granskningsbrev . NSLS-II, en US Department of Energy (DOE) Office of Science användaranläggning som ligger vid Brookhaven National Laboratory, har unika egenskaper som gör att tekniken kan tillämpas med stabilitet och kontroll över långa tidsperioder.

"Korrelerat material har intressant elektroniskt, magnetisk, och strukturella egenskaper, och vi försöker förstå hur dessa egenskaper förändras när deras temperatur ändras eller under applicering av ljuspulser, eller ett elektriskt fält "sa Roopali Kukreja, en UC Davis -professor och huvudförfattare till tidningen. En sådan egenskap är elektrisk konduktivitet, som avgör om ett material är metalliskt eller isolerande.

Om ett material är en bra ledare för elektricitet, det är vanligtvis metalliskt, och om det inte är det, det är då känt som en isolator. När det gäller magnetit, temperaturen kan förändras oavsett om materialet är en ledare eller isolator. För den publicerade studien, forskarnas mål var att se hur magnetiten förändrades från isolator till metallisk på atomnivå när den blev varmare.

I vilket material som helst, det finns ett specifikt arrangemang av elektroner inom var och en av dess miljarder atomer. Denna ordning av elektroner är viktig eftersom den dikterar ett material egenskaper, till exempel dess konduktivitet. För att förstå metall-isolatorövergången av magnetit, forskarna behövde ett sätt att se hur arrangemanget av elektronerna i materialet förändrades med temperaturförändringen.

"Detta elektroniska arrangemang är relaterat till varför vi tror att magnetit blir en isolator, "sade Kukreja. Men Att studera detta arrangemang och hur det förändras under olika förhållanden krävde att forskarna kunde titta på magnetiten i en super-liten skala.

Tekniken, känd som röntgenfotonkorrelationsspektroskopi (XPCS), tillgänglig på NSLS-II:s Coherent Soft X-ray scattering (CSX) beamline, tillät forskarna att titta på hur materialet förändrades i nanoskala - i storleksordningen miljarder meter.

"CSX är utformad för mjuk röntgen-koherent spridning. Detta innebär att strållinjen utnyttjar vårt ultraljus, stabil och sammanhängande röntgenkälla för att analysera hur elektronens arrangemang förändras över tiden, "förklarade Andi Barbour, en CSX -forskare som är en medförfattare på tidningen. "Den utmärkta stabiliteten gör att forskare kan undersöka små variationer över timmar så att det inneboende elektronbeteendet i material kan avslöjas."

Dock, detta är inte direkt synligt så XPCS använder ett trick för att avslöja informationen.

"XPCS-tekniken är en koherent spridningsmetod som kan sondera dynamik i ett kondensationssystem. Ett fläckmönster genereras när en sammanhängande röntgenstråle sprids från ett prov, som ett fingeravtryck av dess inhomogenitet i verkliga rymden, "sa Wen Hu, en forskare vid CSX och medförfattare till tidningen.

Forskare kan sedan tillämpa olika förhållanden på sitt material och om fläckmönstret ändras, det betyder att elektronordningen i provet förändras. "Väsentligen, XPCS mäter hur mycket tid det tar för en fläckens intensitet att bli mycket annorlunda än den genomsnittliga intensiteten, som kallas avkorrelation, "sa Claudio Mazzoli, den ledande strålningsforskaren vid CSX -strålen. "Med tanke på många fläckar på en gång, ensemble -dekorrelationstiden är signaturen för den dynamiska tidsskalan för ett givet provtillstånd. "

Tekniken avslöjade att metall-isolatorövergången inte är en ettstegsprocess, som man tidigare trodde, men händer faktiskt i två steg.

"Vad vi förväntade oss var att saker och ting skulle gå snabbare och snabbare under uppvärmningen. Det vi såg var att saker blev snabbare och snabbare och sedan bromsade de. Så den snabba fasen är ett steg och det andra steget är att sakta ner, och det måste hända innan materialet blir metalliskt, "sa Kukreja. Forskarna misstänker att avmattningen sker eftersom, under fasbytet, de metalliska och isolerande egenskaperna existerar faktiskt samtidigt i materialet.

"Denna studie visar att dessa nanometerlängdskalor verkligen är viktiga för dessa material, "sade Kukreja." Vi kan inte komma åt denna information och dessa experimentella parametrar någon annanstans än vid CSX-strålen hos NSLS-II. "