محققان هلندی تکنیک جدید برای تصویربرداری اشعه ایکس ابداع کرده اند که امکان ثبت انتقال فاز ناشی از نور در اکسید وانادیوم (VO2) با وضوح مکانی و زمانی بالا را فراهم می‌کند.
به گزارش تکناک، استفاده از نور برای ایجاد فازهای گذرا در مواد کوانتومی یک روش جدید برای مهندسی خواص جدید مانند ابررسانایی یا نقص‌های توپولوژیکی در مقیاس نانو است، با این حال، تجسم رشد این فازها در جامدات به دلیل گستره وسیع مقیاس‌های مکانی و زمانی درگیر در این فرآیند، چالش برانگیز است.
دانشمندان انتقال فاز ناشی از نور در مواد کوانتومی را از طریق دینامیک در مقیاس نانو توضیح داده‌اند، اما تولید تصاویر فضای واقعی دشوار بوده و کسی هنوز آنها را ندیده است.
در مطالعه جدید منتشر شده در Nature Physics، محققین ICFO، آلن اس. جانسون و دانیل پرز سالیناس، به رهبری پروفسور سابق ICFO، سیمون وال، با همکاری همکارانی از دانشگاه آرهوس، دانشگاه سوگانگ، دانشگاه واندربیلت، موسسه مکس بورن، دانشگاه اوترخت و آزمایشگاه شتاب دهنده پوهانگ پیشگام روش تصویربرداری جدیدی هستند که امکان ثبت انتقال فاز ناشی از نور در اکسید وانادیوم (VO2) با وضوح مکانی و زمانی بالا را فراهم می‌کند.
این روش جدید اجرا شده توسط محققان مبتنی بر تصویربرداری منسجم فراطیفی اشعه ایکس در لیزر الکترون آزاد است که به آنها امکان تجسم و درک بهتر در مقیاس نانو و انتقال فاز عایق به فلز را در این ماده کوانتومی بسیار معروف را میدهد.
کریستال VO2 به طور گسترده در مطالعه انتقال فاز ناشی از نور استفاده شده است. این اولین ماده ای بود که انتقال جامد به جامد آن توسط پراش اشعه ایکس با زمان تفکیک ردیابی شد و ماهیت الکترونیکی آن با استفاده از تکنیک های جذب فوق سریع پرتو ایکس برای اولین بار مورد مطالعه قرار گرفت. در دمای اتاق، VO2 در فاز عایق است. با این حال، اگر نور به ماده تابیده شود، ممکن است دیمرهای جفت یون وانادیوم شکسته شود و انتقال از یک فاز عایق به یک فاز فلزی انجام شود.
نویسندگان این مطالعه در آزمایش خود، نمونه های نازکی از VO2 را با ماسک طلا تهیه کردند تا میدان دید را مشخص کنند. سپس، نمونه‌ها به مرکز لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس در آزمایشگاه شتاب‌دهنده پوهانگ برده شدند، جایی که یک پالس لیزر نوری فاز گذرا را القا کرد، قبل از اینکه توسط یک پالس لیزری فوق سریع اشعه ایکس بررسی شود. یک دوربین پرتوهای ایکس پراکنده را ثبت کرد و الگوهای پراکندگی منسجم با استفاده از دو رویکرد مختلف به تصاویر تبدیل شدند: هولوگرافی تبدیل فوریه (FTH) و تصویربرداری پراش منسجم (CDI). تصاویر در محدوده ای از تاخیرهای زمانی و طول موج های اشعه ایکس گرفته شد تا فیلمی از این فرآیند با وضوح زمانی 150 فمتوثانیه و وضوح فضایی 50 نانومتر و همچنین با اطلاعات فراطیفی کامل ساخته شود.
نقش شگفت انگیز فشار
روش جدید به محققان اجازه داد تا دینامیک انتقال فاز در VO2 را بهتر درک کنند. آنها دریافتند که فشار نقش بسیار بیشتری در انتقال فاز ناشی از نور نسبت به آنچه قبلاً انتظار می رفت یا فرض می شد ایفا می کند.
ما دیدیم که مراحل گذرا آنقدر که مردم تصور می‌کردند عجیب و غریب نیستند! در حقیقت به جای یک فاز واقعاً غیرتعادلی، انتقال فوق سریع ذاتاً منجر به فشارهای داخلی غول‌پیکر در نمونه میلیون‌ها برابر بیشتر از اتمسفر می‌شود. آلن جانسون، محقق فوق دکترا در ICFO می‌گوید: این فشار خواص مواد را تغییر میدهد و زمان می‌برد تا آرام شود و به نظر می‌رسد که یک مرحله گذرا وجود دارد. با استفاده از روش تصویربرداری خود، دیدیم که حداقل در این مورد، هیچ ارتباطی بین دینامیک پیکوثانیه‌ای که مشاهده کردیم و تغییرات در مقیاس نانو یا فازهای عجیب و غریب وجود ندارد. بنابراین، به نظر می رسد برخی از این نتیجه گیری ها باید مورد بازنگری قرار گیرند.
برای شناسایی نقش فشار در فرآیند، استفاده از تصویر فراطیفی بسیار مهم بود. جانسون ادامه میدهد: با ترکیب تصویربرداری و طیف‌سنجی در یک تصویر عالی، ما می‌توانیم اطلاعات بسیار بیشتری را بازیابی کنیم که به ما امکان میدهد ویژگی‌های دقیق را ببینیم و رمزگشایی کنیم. این برای بررسی هر قسمت از کریستال ما و تعیین اینکه آیا یک فاز طبیعی یا غیرعادی خارج از تعادل است ضروری بود. با این اطلاعات توانستیم تعیین کنیم که در طول انتقال فاز، تمام نواحی کریستال ما به جز فشار یکسان است.
تحقیق چالش برانگیز
یکی از چالش‌های اصلی محققان در طول آزمایش، اطمینان از این بود که نمونه کریستالی VO2 هر بار و پس از روشن شدن توسط لیزر به فاز اولیه خود باز می‌گردد. برای تضمین اینکه این اتفاق می‌افتد، آنها آزمایش‌های اولیه‌ای را در سنکروترون‌ها انجام دادند که در آنجا چندین نمونه کریستال برداشتند و بارها لیزر را به آنها تابیدند تا ظرفیت آنها را برای بازیابی به حالت اولیه آزمایش کنند.
چالش دوم دسترسی به لیزر الکترون آزاد با اشعه ایکس بود، امکانات تحقیقاتی که برای انجام آزمایش‌ها مورد استفاده قرار گرفت بسیار رقابتی و مورد تقاضا است زیرا تنها تعداد کمی از آنها در جهان وجود دارد.
جانسون نتیجه گیری می کند: اگرچه محققان کار حاضر را به عنوان تحقیقات بنیادی توصیف می‌کنند، کاربردهای بالقوه این تکنیک می‌تواند متنوع باشد، زیرا آنها می‌توانند به پولارون‌هایی که در داخل مواد کاتالیزوری حرکت می‌کنند نگاه کنند، از خود ابررسانایی تصویربرداری کنند، یا حتی با مشاهده و تصویربرداری از داخل دستگاه های نانومقیاس، به ما در درک نانوتکنولوژی‌های جدید کمک کنند.
