Laddningsdensitetskarta över ett stort område av materialet som visar en inhomogen profil över mitten av de mellanliggande kolumnerna. Inzoomade vyer av kolumner ger kvantitativa mått på den oväntade inhomogeniteten över hela datasetet. Linjeprofiler (röda) över kolumncentrum jämfört med den teoretiskt förutsagda laddningen (svart, märkt DFT) visar att betydande avvikelser finns i vissa kolumner. En teoretisk förklaring att avvikelsen orsakas av närvaron av vätespår bekräftades senare av neutronspridningsexperiment. Kredit:Zheng, et al.
Ett team av forskare ledda av Oak Ridge National Laboratory-mikroskopisten Miaofang Chi och Vanderbilts teoretiska fysiker Sokrates Pantelides har använt en ny Scanning Transmission Electron Microscope-teknik för att avbilda elektronfördelningen i jonföreningar som kallas elektroder – särskilt de elektroner som flyter löst i fickorna och uppträder separat från atomnätet.
Den nya tekniken, differentiell faskontrast i STEM, mäter och kartlägger elektriska fält och laddningsfördelningar inuti ett material. Studien är första gången som DPC används på detta sätt. Genom att analysera laddningsbilder av dussintals sådana kanaler, teamet fann att bara några innehåller den negativa laddningen som förutspås av teoretiska beräkningar, medan andra har betydligt mindre negativ eller till och med en liten koncentration av positiv laddning. Pantelides decennier av erfarenhet av väte ledde till förslaget att spår av väte, som är i princip omöjliga att eliminera, är ansvariga för den observerade inhomogeniteten, och efterföljande detaljerade beräkningar bekräftade hypotesen. Neutronspridningsexperiment gav bevis till stöd för vätescenariot.
Pantelides förväntar sig att många fysiker och ingenjörer kommer att använda resultaten av denna studie för att informera sin forskning, eftersom all modern teknik bygger på elektroniska egenskaper hos material.
Ett spetsforskningsområde som tog fart under de senaste 10 åren, "Elektrider var långsamma att förstå på grund av deras konstiga egenskaper, sa Chi, en forskaranställd vid Center for Nanophase Materials Sciences vid ORNL. "Detta arbete ger en teknik som direkt visualiserar och kvantifierar dessa elektroner som beter sig som en atom utan kärna, tillhandahåller ett unikt verktyg för att undersöka elektrider."
"Materialen är lovande, sade Pantelides, University Distinguished Professor of Physics and Engineering och William A. &Nancy F. McMinn Professor of Physics. "Vi räknar med att detta arbete kommer att användas i både experimentell och teoretisk analys av de exotiska egenskaperna i elektrider och den roll som väte kan ha i deras beteende."
För närvarande, datavetare använder maskininlärningstekniker för att snabbt identifiera material med elektridsignaturer så att de kan undersökas ytterligare. Det är redan känt att elektroder är bra för att lagra väte, kan användas som katalysatorer, bär starka strömmar på grund av sin höga elektronrörlighet och uppvisar ofta okonventionell magnetism, även supraledning. Dessa och andra fastigheter gör deras utveckling attraktiv för en rad nya teknologier.
