Den experimentella inställningen för en nyutvecklad teknik:ultrasnabb ytröntgenstridning. Denna teknik kopplar en optisk pump med en röntgenfri elektronlasersond för att undersöka molekylär dynamik på femtosekundens tidsskala. Upphovsman:Haidan Wen
Med Discovery kan forskare titta på hur 2-D-material rör sig med ultrasnabb precision.
Med hjälp av en aldrig tidigare sett teknik, forskare har hittat ett nytt sätt att använda några av världens mest kraftfulla röntgenstrålar för att avslöja hur atomer rör sig i ett enda atomark med ultrasnabba hastigheter.
Studien, ledd av forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och i samarbete med andra institutioner, inklusive University of Washington och DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory, utvecklat en ny teknik som kallas ultrasnabb ytröntgenspridning. Denna teknik avslöjade den förändrade strukturen hos en atomtunn tvådimensionell kristall efter att den exciterades med en optisk laserpuls.
"Att utvidga [ytröntgenspridning] för att göra ultrasnabb vetenskap i ettskiktsmaterial representerar ett stort tekniskt framsteg som kan visa oss mycket om hur atomer beter sig på ytor och i gränssnitten mellan material, "sade Argonne -forskaren Haidan Wen.
Till skillnad från tidigare ytröntgenspridningstekniker, den här nya metoden går utöver att ge en statisk bild av atomerna på ett materials yta för att fånga atomernas rörelser på tidsskalor så korta som biljoner sekunder av en sekund efter laserexcitation.
Statisk ytröntgenspridning och viss tidsberoende ytröntgenspridning kan utföras vid en synkrotronröntgenkälla, men för att göra ultrasnabb ytröntgenspridning behövde forskarna använda Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenfri elektronlaser vid SLAC. Denna ljuskälla ger mycket ljusa röntgenstrålar med extremt korta exponeringar på 50 femtosekunder. Genom att snabbt leverera stora mängder fotoner till provet, forskarna kunde generera en tillräckligt stark tidsupplöst spridningssignal, därmed visualisera rörelsen av atomer i 2-D-material.
"Yt-röntgenspridning är tillräckligt utmanande på egen hand, "sade Argonne röntgenfysiker Hua Zhou, en författare till studien. "Att utvidga det till att göra ultrasnabb vetenskap i ettskiktsmaterial representerar ett stort tekniskt framsteg som kan visa oss mycket om hur atomer beter sig på ytor och i gränssnitten mellan material."
I tvådimensionella material, atomer vibrerar vanligtvis något längs alla tre dimensioner under statiska förhållanden. Dock, på ultrasnabba tidsskalor, en annan bild av atombeteende framträder, sa Argonne -fysiker och studieförfattare Haidan Wen.
Med hjälp av ultrasnabb ytröntgenspridning, Wen och postdoktor I-Cheng Tung ledde en undersökning av ett tvådimensionellt material som kallas wolframdiselenid (WSe 2 ). I detta material, varje volframatom ansluter till två selenatomer i en "V" -form. När ettskiktsmaterialet träffas med en optisk laserpuls, energin från lasern får atomerna att röra sig inom materialets plan, skapa en kontraintuitiv effekt.
"Du förväntar dig normalt att atomerna flyttar ut ur planet, eftersom det är där det tillgängliga utrymmet är, "Wen sa." Men här ser vi dem mest vibrera i planet direkt efter excitation. "
En experimentstation vid SLAC:s Linac Coherent Light Source X-ray free-electron laser, där forskare använde ett nytt verktyg som de utvecklade för att se atomer röra sig inom ett enda atomark. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
Dessa observationer stöds av första principberäkningar som leds av Aiichiro Nakano vid University of Southern California och forskaren Pierre Darancet från Argonnes Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility.
Teamet erhöll preliminära ytröntgenspridningsmätningar vid Argonnes Advanced Photon Source (APS), också en DOE Office of Science User Facility. Dessa mätningar, även om de inte togs med ultrahastiga hastigheter, tillät forskarna att kalibrera sitt tillvägagångssätt för LCLS-frielektronlasern, Sa Wen.
Atomförskjutningarnas riktning och sätten på vilka gitterförändringarna har viktiga effekter på egenskaperna hos tvådimensionella material som WSe 2 , enligt University of Washington professor Xiaodong Xu. "Eftersom dessa 2-D-material har rika fysiska egenskaper, forskare är intresserade av att använda dem för att utforska grundläggande fenomen samt potentiella tillämpningar inom elektronik och fotonik, "sa han." Att visualisera atomernas rörelse i enstaka atomkristaller är ett verkligt genombrott och gör att vi kan förstå och skräddarsy materialegenskaper för energirelevant teknik. "
"Denna studie ger oss ett nytt sätt att undersöka strukturella snedvridningar i 2-D-material när de utvecklas, och för att förstå hur de är relaterade till unika egenskaper hos dessa material som vi hoppas kunna utnyttja för elektroniska enheter som använder, avge eller styra ljus, "tillade Aaron Lindenberg, en professor vid SLAC och Stanford University och samarbetspartner i studien. "Dessa tillvägagångssätt är också tillämpliga på en bred klass av andra intressanta och dåligt förstådda fenomen som uppstår vid gränssnittet mellan material."
Ett papper baserat på studien, "Anisotrop strukturell dynamik för enskikskristaller som avslöjas av femtosekunders röntgenspridning på ytan, "dök upp i den 11 mars onlineutgåvan av Nature Photonics .
Andra författare till studien inkluderade forskare från University of Washington, University of Southern California, Stanford University, SLAC och Kumamoto University (Japan). APS, CNM, och LCLS är DOE Office of Science användarfaciliteter.
