Bir ışık darbesi malzemenin temposunu ayarlar. Sadece birkaç atom kalınlığındaki kristal bir tabakadaki atomlar, rastgele değil, koordineli bir ritimle, bir ritmi takip eden dansçılar gibi senkronize bir şekilde bükülüp çözülerek hareket etmeye başlar.
Kesin olarak zamanlanmış enerji patlamalarıyla harekete geçirilen bu atomik koreografi, insan gözünün ve hatta geleneksel bilimsel araçların tespit edemeyeceği kadar hızlı gerçekleşir. Tüm sekans saniyenin trilyonda biri kadar bir sürede tamamlanıyor.
Buna tanıklık etmek için Cornell-Stanford Üniversitesi araştırmacıları işbirliği, maddeyi en hızlı zaman ölçeklerinde filme alabilen bir teknik olan ultra hızlı elektron kırınımına yöneldi. Ekip, Cornell yapımı bir cihaz ve Cornell yapımı yüksek hızlı dedektör kullanarak, ışığa dinamik bir bükülme hareketiyle tepki veren atomik olarak ince malzemeleri yakaladı.
Yakın zamanda yayınlanan bulguları DoğaHareli malzemelerin davranışını anlamak ve kontrol etmek için yeni olasılıklar açıyor; sıra dışı özellikleri, bir katmanı diğerinin üzerine hafifçe bükerek kolayca ayarlanabilen yığılmış 2 boyutlu yapılar. Sonuçlar, süperiletkenlik, manyetizma ve kuantum elektroniğindeki gelecekteki teknolojiler için sonuçlarıyla birlikte, ışığın bir gün malzemeleri gerçek zamanlı olarak işlemek için nasıl kullanılabileceğine dair fikir veriyor.
College of Arts and Sciences’ta fizik profesörü ve makalenin ortak yazarlarından Jared Maxson, “İnsanlar atomik açıdan ince olan bu katmanları istifleyerek ve bükerek bir malzemenin davranışını değiştirebileceğinizi uzun zamandır biliyor. Onu bir süper iletkene dönüştürebilir veya elektronların tuhaf yeni şekillerde hareket etmesini sağlayabilirsiniz” dedi. “Burada yeni olan şey, bu bükülmeyi ışıkla dinamik olarak geliştirmemiz ve aslında bunun gerçek zamanlı olarak gerçekleşmesini izlememizdir.”
Şimdiye kadar araştırmacılar bu katmanların bir ışık patlamasına fiziksel olarak nasıl tepki verdiğini doğrudan gözlemleyememişti. Ancak bu çalışmada Cornell-Stanford ekibi, atom katmanlarının kısa bir süreliğine birbirine daha sıkı bir şekilde bükülebildiğini, ardından enerjisini serbest bırakan sarmal bir şerit gibi geri yaylanabildiğini gösterdi.
Bu araştırma için hareli malzemeleri yaratan Stanford’daki proje lideri ortak yazar Fang Liu, “Daha önce araştırmacılar, bu hareli malzemeleri sabit bir açıyla istiflediğinizde tüm yapının sabitlendiğini düşünüyorlardı” dedi. “Gösterdiğimiz şey bunun kesinlikle sabit olmadığıdır; atomlar hareket edecektir. Aslında her hareli birim hücrenin içindeki atomlar bir tür daire dansı yapacaktır.”
Bu geçici dansı yakalamak için araştırmacılar, Maxson’un laboratuvarında inşa edilen ve geliştirilen, bir lazer darbesiyle vurulduktan hemen sonra bir numuneye yoğun elektron patlamaları ateşleyen ultra hızlı elektron kırınım cihazını kullandılar. Bu pompala ve araştır yöntemi, atomların zaman içinde nasıl değiştiğini ortaya koyuyor.
Deneyin başarısının anahtarı, Cornell’de geliştirilen yüksek hızlı, ultra hassas bir dedektördü: Elektron Mikroskobu Piksel Dizisi Dedektörü (EMPAD). Başlangıçta hareketsiz görüntüler için tasarlanan EMPAD, yeni bir şekilde kullanıldı ve esasen atomlara karşı aşırı duyarlı bir film kamerası haline geldi.
Maxson, “Çoğu dedektör sinyali bulanıklaştırırdı” dedi. “EMPAD inanılmaz derecede incelikli özellikleri yakalamamıza olanak sağladı. Aradığımız şey gürültünün içinde kolayca kaybolabilirdi.”
Cornell aletleri üretip deneyi gerçekleştirirken, çalışmada kullanılan özel olarak tasarlanmış malzemeler Liu’nun Stanford’daki laboratuvarından geldi. Maxson, “Malzeme anlayışını elektron-ışını anlayışıyla birleştirmeden bu olguya tanık olmamızın imkânı yoktu” dedi. “Dünyanın en iyi makinesini yapabilirdik, ancak doğru malzemeler ve bunları yapacak uzmanlık olmadan bu gerçekleşemezdi. Fang’ın grubuyla olan bu işbirliğini bu kadar güçlü kılan da buydu.”
Liu şunu ekledi: “Hareli deseni gerçekten görebilen tek cihaz Jared’in ultra hızlı cihazıdır ve hatta Maxson’un ekibi deneyi mümkün kılmak için bunu gerçek zamanlı olarak değiştirdi. Bu gerçek bir işbirliğiydi.”
Maxson, Stanford’da malzeme bilimi profesörü Aaron Lindenberg’in verilere ilişkin kritik bilgiler sağladığını söyledi. Verilerin kendisi Cameron Duncan, Ph.D. tarafından alınmıştır. ’22, Maxson’ın grubunda doktora öğrencisiyken. Duncan, verilerin analiz edilmesinde ve karmaşık kırınım modellerinden atomik hareketin yeniden yapılandırılmasında merkezi bir rol oynamaya devam etti.
Duncan, “Ultra hızlı hareli sinyali bulmayı başaran ilk kişi bizdik, çünkü evde üretilen donanımımızı, kırınım çözme gücünü özel olarak geliştirecek şekilde özelleştirdik” dedi. “Bu sonuçla sıkı çalışmamızın karşılığını görmek tatmin ediciydi.”
Gelecekteki çalışmalar için Liu’nun laboratuvarı, Cornell’in ultra hızlı cihazının sınırlarını daha da ileriye taşımak üzere tasarlanmış yeni bir dizi hareli örnek üretti. Ekipler, farklı malzemelerin ve bükülme açılarının ışığa nasıl tepki verdiğini görmek için bir sonraki deney turunu planlıyor; bu çalışma, kuantum davranışının gerçek zamanlı olarak aktif olarak nasıl kontrol edileceğine dair anlayışlarını derinleştirebilecek.
