• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    En ny metod för filmatomer och molekyler som vibrerar inuti fasta ämnen

    En infallande röntgen- eller elektronpuls träffar provet, vilket skapar atomvibrationer. Det fasta materialets svar på infallspulsen ses av detektorn, en röntgen- eller elektronkamera. Upphovsman:Aditya Prasad Roy, Institutionen för maskinteknik, IIT Bombay

    Teoretiska och experimentella forskare har samlats för att se fasta ämnen vibrera.

    Atomer eller molekyler utgör allt omkring oss. I många fasta ämnen, som vanligt salt eller järn, de är snyggt arrangerade som upprepade strukturer, kallas 'kristallgaller'. Beteendet hos en fast till någon yttre faktor, som tillämpad kraft, bestäms av gitterets kollektiva beteende, inte enskilda atomer eller molekyler. Små vibrationer av beståndsdelarna bestämmer gitterets kollektiva svar. Istället för de enskilda beståndsdelarna, det är detta kollektiva svar som avgör olika naturfenomen, inklusive hur värme transporterar genom fasta ämnen och hur material ändrar tillstånd mellan fasta ämnen, vätskor, och gaser.

    I en ny studie, forskare från Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) har tagit fram en teoretisk metod för att förutsäga variationer i gitterstrukturen som svar på yttre störningar. Den här studien, publicerad i tidningen npj Beräkningsmaterial , finansierades delvis av IIT Bombay-Industrial Research and Consultancy Center, ministeriet för mänskliga resurser och utveckling (nu utbildningsministeriet), Institutionen för atomenergi, och Institutionen för vetenskap och teknik, Indiens regering.

    Forskare undersöker variationer i gitterstrukturen, eller dess dynamik, genom att först skapa en yttre störning på strukturen och sedan observera hur störningen förändras med tiden. Störningen orsakas ofta av korta blinkar av laserljus. "Om du stör ett fast ämne genom laserblixtar, dess atomer börjar vibrera, "säger professor Gopal Dixit, en av författarna till studien.

    Röntgenljus eller elektroner kan avslöja informationen om atomer och molekyler i gitteret. Forskare bombarderar det fasta materialet med flera röntgen- eller elektronpulser vid tillfällen separerade med några femtosekunder–– det vill säga tusen biljoner av en sekund. Således, de kan få bilder av det fasta i dessa fall, som de sy ihop för att filma de vibrerande atomerna. Sådana experiment är utmanande att utforma, som omfattar sofistikerade instrument som är dyrare än vanliga laboratoriemikroskop och finns i några få, sällsynta anläggningar runt om i världen. Först under det senaste decenniet har forskare kunnat genomföra sådana avancerade experiment.

    Å andra sidan, att studera det molekylära arrangemanget av ostörda fasta ämnen är lättare. I mer än fem decennier har forskare har bombarderat fasta ämnen som kisel med röntgen- eller elektronstrålar och observerat hur denna stråle interagerar med dess gitter. "Det fasta materialets svar på strålen lämnar specifika avtryck på den utgående strålen, avslöjar atomvibrationerna i gallret, "säger professor Dipanshu Bansal, en annan författare till studien. En innovativ matematisk teknik som först uppfanns av Joseph Fourier, kallad "Fourier -analys, "hjälper dem att studera gitterets små strukturer i både rum och tid.

    I den aktuella studien, forskarna genomförde matematiska beräkningar och visade att man kunde använda en liknande teknik för att studera fasta ämnen som är föremål för en tillfällig, yttre störning. De använde en utökad version av Fouriers metod tillsammans med lagarna i kvantfysik. Dessutom, de använde den grundläggande tanken att tiden flyter i en riktning. Dessa fick dem att beräkna en matematisk kvantitet som bestämmer hur gitterstrukturen reagerar på den yttre störningen.

    Med hjälp av denna matematiska mängd, kallas också "svarsfunktionen, "forskarna förutspådde hur fasta ämnen skulle bete sig i tid, ner till några femtosekunder, och rymden, ner till bråkdelar av en nanometer. Sedan, de beräknade svarsfunktionen från bilder tillgängliga från experiment som utförts under det senaste decenniet med lasrar. Denna mängd, forskarna i den aktuella studien visade, matchar exakt den teoretiska svarsfunktionen. Deras beräkning visar för första gången att det inte är nödvändigt att utföra de sofistikerade experimenten för att studera dynamiken i fasta ämnen.

    Det finns andra fördelar. "Vår föreslagna metod kräver inte separata röntgen- eller elektronpulser separerade med fraktioner av picosekunder för att studera dynamiken. I stället en enda puls räcker, "hävdar professor Dixit. Beräkningarna tar bara några dagar på persondatorer, medan experimenten kan ta dagar till månader.

    Studien har också samlat teoretiker och experimenter. "Vårt arbete är en verklig framgång för samarbetsinsatser, "säger professor Bansal, en experimentell forskare. "Vi behövde insikten om de exakta experimentella förhållandena som var oförklarliga av teori, och teoretiska fysiker att ta sig an uppgiften, "tillägger professor Dixit, som är teoretiker. "Även om det finns utmaningar att genomföra experiment, de teoretiska beräkningarna har inga begränsningar, "erkänner professor Bansal, experimentisten.

    Forskarna hävdar att deras metod är tillämplig på fasta ämnen i olika miljöer som i ett magnetfält, under yttre tryck, eller hög temperatur. "Detta är inte möjligt via ens de mest sofistikerade mikroskopiska experimenten, "säger professor Bansal. Även om det inte är lätt att uppskatta svarsfunktionen utifrån de begränsade data som finns tillgängliga i experiment, snabba tekniska framsteg gör det lättare att utföra undersökningar. Forskarna planerar också att testa sin teori för dessa experiment.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com