Vi studerar rörelsen av otroligt små saker. Hur liten är liten? Tänk mindre än "nano". Tänk mindre än atomerna själva. Vi mäter de oändligt små förskjutningarna i atomernas positioner till elektriska krafter. Att mäta litet är utmanande, men givande. Genom att mäta så små saker, vi låser upp dolda hemligheter som kommer att främja en mängd olika elektroniska enheter.

Hur och varför? Låt oss börja med grunderna.

De flesta vet att metaller är bra på att leda elektricitet. Det betyder att elektroner kan röra sig långa sträckor genom de flesta metaller. Det elektriska elnätet är ett perfekt exempel på detta grundläggande materialbeteende i aktion och är en av de mest kända tillämpningarna av elektrisk ledningsförmåga.

I kontrast, isoleringsmaterial är de där denna effekt reduceras med 10 ^-20 storleksordningar. Effektivt, elektroner kan knappt röra sig alls i isoleringsmaterial. Eftersom dessa material (vanligtvis) inte tillåter elektroner att röra sig, några av deras mest grundläggande tillämpningar är att skydda och rikta elektriska ledare. Tänk på den skyddande beläggningen runt en nätsladd.

Elektroner är fortfarande fundamentalt viktiga för isoleringsmaterial, men spelar en annan roll. Innan den trycks av en elektrisk kraft, elektroner är starkt bundna till vissa atomer, ger upphov till positivt laddade "katjoner" och negativt laddade "anjoner". När den trycks med hjälp av elektriska krafter (som spänningar), katjonerna och anjonerna kan röra sig lite. Bilden ovan är en överdriven illustration av dessa mycket små rörelser.

Avståndet mellan dessa katjoner och anjoner är litet till att börja med – mäter nära 10 ^-10 meter, eller mindre än nanometerskalan. Och förändringarna i deras positioner under applicerade spänningar är ännu mindre än små - mäter 10 ^-15 till 10 ^-17 meter! Ändå är dessa små förskjutningar väsentliga för ett antal högteknologiska tillämpningar, från mikroelektromekaniska (MEMS) system till högprecisionskontroll av speglar för optik och satellitsystem.

En av utmaningarna i vårt forskarsamhälle är hur man mäter något så otroligt litet. Det optiska mikroskopet är begränsat till att lösa egenskaper som biologiska celler – alldeles för stora för att lösa upp atomer och små atomrörelser. Jag leder ett team av forskare vid NC State som använder högenergiröntgen för att mäta dessa effekter. Våglängden för dessa röntgenstrålar, i storleksordningen 10 ^-10 meter, kan användas för att mäta de nästan oändliga avstånden mellan atomer. Och specialiserad utrustning och grundlig analys av uppmätta signaler kan för närvarande avslöja förändringar i atomrörelse ner till nästan 10 ^-16 meter. Det betyder att vi mäter några av dessa viktiga atomeffekter.

När mitt team förstår hur de olika katjonerna och anjonerna rör sig under elektriska krafter, forskarsamhället kan använda den informationen för att designa bättre energilagrings- och omvandlingsenheter, som kondensatorer, ställdon, och piezoelektrik. Vi kan äntligen börja nerifrån och upp och designa dessa isoleringsmaterial med början på atomnivå. Nuvarande, det växer också fram en multiutredare, multiuniversitetscentrum för forskning om dessa material vid NC State, Center for Dielectrics and Piezoelectrics, så tidpunkten för dessa mätningar kommer att vara användbar för ett antal relaterade forskningsprojekt.