Alla som har sett ånga strömma upp ur en kokande vattenkokare eller sett iskristaller bildas på ett blött fönster på vintern har observerat vad forskare kallar en fasövergång.

Fasövergångar – som de mellan fasta ämnen, vätskor och gaser – sker i alla möjliga olika ämnen, och de kan ske snabbt eller långsamt. Forskare planerar att använda fasövergångar för att kunna kontrollera de elektroniska, strukturella eller magnetiska egenskaperna hos olika material när de genomgår dessa förändringar, till exempel för användning i nya typer av datorminnen.

I den nya studien har forskare för första gången kunnat titta på en strukturell fasövergång i minsta detalj på en mycket snabb tidsskala. Forskarna gjorde röntgen "fotografier" som är placerade mindre än en tiondel av 1 miljarddels sekund från varandra genom en teknik som kallas nanodiffraktionsmikroskopi. "En typisk video kan spelas upp med 30 bilder per sekund, så det här är ungefär en slowmotion-video som kan lösa dynamik som är extremt snabb", säger Haidan Wen, fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory.

Förmågan att bevittna utvecklingen av materialbeteende med sådan precision i tid och rum har avslöjat ovanliga beteenden i vissa material som genomgår en fasförändring, inklusive många magnetiska material.

"Vi kan zooma in i ett urval i termer av tid och rum på sätt som vi aldrig har kunnat förut", säger Youngjun Ahn, studiens första författare. Ahn är en före detta doktorand praktikant vid Argonne från University of Wisconsin-Madison. För detta arbete samarbetade han nära med Wen. "Denna metod ger oss en exakt bild av strukturella förändringar i vårt urval som är utmanande att se med någon annan metod," sa Ahn.

Studien använde Hard X-Ray Nanoprobe som drivs av Center for Nanoscale Materials (CNM) vid Advanced Photon Source (APS) i Argonne. APS och CNM är DOE Office of Science användarfaciliteter.

När de tittade på fasövergångar i en järn-rodiumförening fann forskarna ett sätt att se strukturen hos föreningen förändras mellan två magnetiska konfigurationer. Förändringen orsakar en expansion av atomnätverket som är mycket liten – men tillräckligt för att få betydande konsekvenser för magnetismen.

Forskare kan använda de magnetiska faserna för att skapa en ny typ av magnetisk lagring som lovar att bli snabbare och mer energieffektiv än konventionell datalagring. I alla magnetiska material kan manipulering av fasövergångar runt den kritiska temperatur vid vilken de inträffar ge nyckeln till att kunna vända en informationslagrande bit mellan en "1" och en "0".

För att skapa magnetiska minnen som är kompakta måste forskare ha ett sätt att manipulera dem exakt. Ett sätt att göra det är med en lokal temperaturändring.

Genom att värma upp en magnetisk bit kan forskare potentiellt ha ett sätt att framkalla den omkonfiguration som de använder för att koda information med mindre energiförbrukning, vilket är känt som värmeassisterad magnetisk inspelning. "En av de saker som är väldigt intressanta med det här materialet - järn-rodium - är att det har en fasövergång vid en temperatur som kan användas för den här typen av applikationer", säger Paul Evans, professor vid University of Wisconsin-Madison. "Men för att göra de typer av manipulationer vi är intresserade av behöver vi en bättre "kamera." Det är därför det är viktigt att använda den här nyutvecklade tekniken för att studera den."

"Nyckelaspekten av vårt experiment är att vi kan komma åt de extremt små områdena i rymden eller snabba ögonblick i tid med hög precision som gör att vi kan avslöja nanoskala dynamik som inte har erkänts tidigare," tillade Wen, som skapade verket .

Den kommande uppgraderingen av APS kommer att få betydande konsekvenser för ytterligare experiment som visualiserar dessa typer av fasövergångar. "Efter APS-uppgraderingen," sa Argonne röntgenforskare Martin Holt, "förväntar vi oss att uppnå högre rumslig upplösning, i synnerhet genom att utnyttja den förbättrade koherensen hos röntgenstrålen. Vår utveckling av ultrasnabb tidsupplösning inom den typen av Röntgenmikroskopi är det som hjälper oss att förstå orsakerna till de typer av effekter vi observerar. Detta är en unik förmåga som den uppgraderade APS kan erbjuda."

En artikel baserad på studien, "Röntgen nanodiffraktionsavbildning avslöjar distinkt nanoskopisk dynamik i en ultrasnabb fasövergång", publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences . + Utforska vidare

Ny päls för kvantkatten:Intrassling av många atomer upptäcktes för första gången