Unordnung spielt eine Schlüsselrolle bei Phasenübergängen von Materialien
Phasenübergänge sind häufige Ereignisse, die die Eigenschaften eines Materials dramatisch verändern, wobei das bekannteste der Übergang von Fest-Flüssig-Gas in Wasser ist. Jede Phase entspricht einer neuen Anordnung der Atome im Material, die die Eigenschaften der Substanz bestimmt. Während diese Anordnungen in jeder Phase einzeln leicht untersucht werden können, ist es wesentlich schwieriger zu untersuchen, wie sie ihre Anordnungen während eines Phasenübergangs von einem Zustand in den anderen ändern. Denn Atome sind unglaublich klein, und die Abstände, um die sie sich bewegen, sind entsprechend klein, so dass sie sehr schnell auftreten können. Darüber hinaus bestehen Materialien aus über 1023 Atomen, was es äußerst schwierig macht, ihre individuellen Bewegungen zu verfolgen.
Dies ist eine schematische Darstellung der Atomstruktur von Vanadiumdioxid
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Ein besonders interessanter Phasenwechsel ist der Isolator-Metall Übergang im Material Vanadiumdioxid (VO2). Bei Raumtemperatur ist VO2 ein Isolator, und im Inneren des Kristalls bilden die Vanadiumionen periodische Ketten von Vanadiumpaaren, die als Dimere bezeichnet werden. Wenn diese Verbindung auf knapp über Raumtemperatur erwärmt wird, ändert sich die Atomstruktur und die Paare werden gebrochen, aber das Material bleibt fest. Gleichzeitig steigt die Leitfähigkeit des Materials um mehr als 5 Größenordnungen und hat ein vielfältiges Anwendungsspektrum von der energiefreien Klimatisierung bis zur Infrarot-Sensorik.
Eine der faszinierenden Eigenschaften von VO2 ist, dass der Phasenübergang unglaublich schnell erfolgen kann, wobei die einzige Grenze zu sein scheint, wie schnell Sie das System erwärmen können. Um diese unglaubliche Geschwindigkeit zu erklären, schlugen Wissenschaftler vor, dass es eine kooperative Bewegung zwischen den Vanadiumionen geben muss, d.h. jedes Vanadiumpaar bricht auf die gleiche Weise zur gleichen Zeit.
Um die atomare Struktur von Materialien zu verstehen, verwenden Wissenschaftler eine Technik, die als Beugung bekannt ist. In den letzten 30 Jahren wurde diese Methode um die zeitliche Auflösung erweitert, mit dem Ziel, den "Molekularfilm" zu erhalten, d.h. die Bewegung der Atome während des Übergangs direkt zu filmen. Als diese Technik 2007 erstmals auf VO2 angewendet wurde, schien sie das Bild der koordinierten Bewegung zu bestätigen.
Die Beugung misst jedoch nur die durchschnittliche Atomposition und gibt wenig Auskunft über den tatsächlichen Weg der einzelnen Atome. So bewegen sich beispielsweise Demonstranten, die in Barcelona die Passeig de Gràcia-Allee entlang marschieren, einheitlich und regelmäßig koordiniert, während eine Gruppe von Touristen im Durchschnitt die gleiche Strecke zurücklegen kann, aber völlig unkoordiniert, sich umsehen und zufällig anhalten, um sich die Architektur der Stadt anzusehen. In der Beugung würden diese Prozesse gleich aussehen.
Jetzt haben die ICFO-Forscher Prof. Simon Wall, die Doktorandin Luciana Vidas und der ehemalige Postdoc Timothy Miller in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Duke University, des SLAC National Accelerator Laboratory, des Japan Synchrotron Radiation Research Institute, der Stanford University und des Oak Ridge National Laboratory eine neue Technik eingesetzt, die in der Lage ist, die Atombahnen zu lösen.
Dazu nutzten die Forscher den weltweit ersten Röntgenlaser im SLAC National Accelerator Laboratory. Diese neue Lichtquelle ermöglichte es den Forschern, die Kristallstruktur mit beispiellosen Details mit einer Technik zu untersuchen, die als totale Röntgenstreuung bekannt ist. Im Gegensatz zu der vorherrschenden Ansicht fanden die Autoren heraus, dass die Auflösung der Vanadiumpaare extrem ungeordnet war und eher den Touristen als den Demonstranten glich.
Simon Wall, Erstautor des Papiers, kommentiert: "Dies ist das erste Mal, dass wir wirklich beobachten konnten, wie sich Atome in einem Phasenübergang neu anordnen, ohne anzunehmen, dass die Bewegung einheitlich ist, und schlägt vor, dass das Lehrbuchverständnis dieser Übergänge neu geschrieben werden muss. Wir planen nun, diese Technik zu nutzen, um mehr Materialien zu erforschen, um zu verstehen, wie weit verbreitet die Rolle der Störung ist".
Bisher wurde VO2 oft als Leitfaden für das Verständnis der Phasen in komplexeren Materialien wie Hochtemperatursupraleitern verwendet. Die hier gewonnenen Erkenntnisse deuten also darauf hin, dass auch diese Materialien einer Überprüfung bedürfen. Darüber hinaus könnte das Verständnis der Rolle der Unordnung in Schwingungsmaterialien eine neue Perspektive auf die Kontrolle der Materie bedeuten, insbesondere im Bereich der Supraleitung, was erhebliche Auswirkungen auf die Nanotechnologie und die Optoelektronik haben könnte.
Originalveröffentlichung
Wall, Simon and Yang, Shan and Vidas, Luciana and Chollet, Matthieu and Glownia, James M. and Kozina, Michael and Katayama, Tetsuo and Henighan, Thomas and Jiang, Mason and Miller, Timothy A. and Reis, David A. and Boatner, Lynn A. and Delaire, Olivier and Trigo, Mariano; "Ultrafast disordering of vanadium dimers in photoexcited VO2"; Science; 2018
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