En grupp Cornell-ledda forskare vid Center for Bright Beams har utvecklat en ny teoretisk metod för att beräkna hur atomer sprids från ytor. Metoden, utvecklad av nyligen tilldelade Cornell physics Ph.D. Michelle Kelley och hennes medarbetare och publicerade i Physical Review Letters , är den första metoden för att explicit beräkna interaktionerna mellan en spridningsatom med en yta direkt från första principer.

För att förstå ett materials yta kan du använda en stråle av elektroner eller röntgenstrålar för att undersöka ytan, men det skulle skada materialet. I åratal har forskare undersökt kristallina materialytor med hjälp av spridningen av strålar av molekyler bort från ytan. Speciellt helium är väl lämpat för denna uppgift eftersom det kan ge upplösning i atomär skala vid låga energier. Men de modeller som forskare har använt för att förstå materialegenskaper på detta sätt är felaktiga.

När helium sprids bort från en yta sprider det materialets fria elektrondensitet snarare än att penetrera materialets yta och lämnar inga skador efter sig samtidigt som användbara vibrationer uppstår i ytan. Detta gör heliumstrålar potentiellt mycket användbara för att förstå ytegenskaperna hos material på molekylär nivå.

"Till skillnad från spridningselektroner eller röntgenstrålar är atom- och molekylstrålar oförstörande ytsonder som möjliggör undersökningar av allt känsligare och känsligare prover, vilket tänjer på de vetenskapliga gränserna för yttyper som kan undersökas", säger Kelley.

Men för att atomspridning ska vara användbar är korrekta teoretiska förutsägelser av spridningssignaturer nyckeln. Hittills har dessa prediktiva modeller varit alltför förenklade eller missvisande. Kelley och hennes grupp har lagt fram en ny metod för förutsägelsespridning som ger ett helt ab initio, eller från början, tillvägagångssätt för att styra icke-förstörande atomstrålespridning såsom helium-atomspridning.

"Vi kan nu, för första gången, teoretiskt, utan några externa input eller antaganden, beräkna hur heliumatomer avsätter energi i ett material när de studsar bort från dess yta", säger Tomás Arias, professor i fysik vid College of Arts och Sciences (A&S), som ledde och övervakade forskningen.

Kelleys grupp använde ytinteraktionerna mellan en heliumstråle och en niobyta för att fånga hur atomspridning och fononexcitation interagerade med varandra. Detta gjorde det möjligt för dem att skapa denna nya prediktiva teori som kommer att förändra hur forskare modellerar ytstruktur. Även om teorin utvecklades med hjälp av en heliumstråle och niob, kan den generellt tillämpas på andra atom-ytkombinationer.

"Vårt nya teoretiska tillvägagångssätt ger resultat med hög noggrannhet eftersom det helt undviker opålitliga modeller och den tillhörande inställningen av parametrar som krävdes i tidigare semi-empiriska metoder," sa Kelley. "Att förbättra noggrannheten hos teoretiska förutsägelser av detta slag kommer att hjälpa till att styra och tolka nästa generations experiment som använder atomär strålspridning som en oförstörande sond av känsliga ytegenskaper."

"Detta resultat kommer att bidra till att förbättra vår förståelse av hur elektroner och atomer i ett material interagerar", sa Arias, "att belysa viktiga fenomen inklusive supraledning genom att vägleda sådana experiment och förbättra deras tolkning."

Mer information: Michelle M. Kelley et al, Fully Ab Initio Approach to Inelastic Atom-Surface Scattering, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.016203

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av Cornell University