تصویربرداری از امواج صوتی داخل کریستال الماس  

برای نخستین بار دانشمندان امواج صوتی که در میان کریستال الماس حرکت می‌کنند را با استفاده از روش جدید اشعه ایکس مشاهده کردند.

به گزارش تکناک، گروهی که توسط محققان دانشگاه فنی دانمارک رهبری می‌شد، از تکنیکی با استفاده از میکروسکوپ اشعه ایکس استفاده کردند که می‌توانست امواج صوتی را در کریستال‌هایی به اندازه میلی‌متر با دقت زیر پیکو ‌ثانیه ببیند.

این تکنیک تیم تحقیقاتی را قادر ساخت تا ببیند که چگونه انرژی مکانیکی در بازه‌های زمانی مختلف از پیکوثانیه تا میکروثانیه حرارت می گیرند. آنها توانستند ایجاد، انتشار، انشعاب و اتلاف انرژی امواج صوتی طولی و عرضی در یک الماس را مشاهده کنند.

یافته های این فرآیند می تواند مسیر را برای تصویربرداری سریع از اجسام جامد از جمله فلزات، سرامیک ها، سنگ ها و استخوان ها هموار کند.

ویژگی های مواد

یکی از اجزای اساسی علم مواد، زمین شناسی و فیزیک حالت جامد، درک دینامیک ساختاری جامدات کریستالی است. اما بسیاری از مواد دارای ساختارهای پیچیده ای هستند که به طور همزمان پویایی را در چندین مقیاس طولی و زمانی نشان می دهند.

به گفته این تیم، مواد کریستالی جامد، از جمله فلزات، سرامیک، گرانیت و استخوان به‌شدت چالش‌برانگیز هستند. آنها از دانه‌ها، بخش‌ها و عیوب‌ تشکیل شده‌اند و توسط نیروهای متضاد مختلفی که در سطوح متفاوت بر روی آنها عمل می‌کنند، باز ایستاده اند.

دانشمندان از پرتوهای ایکس بسیار تخصصی برای شبیه‌سازی این مواد استفاده کرده‌اند و تا حدی پیش رفته‌اند که موادی با وضوح کمتر از 100 نانومتر (بیش از 500 برابر نازک‌تر از موی انسان) را تعریف کرده‌اند.

عامل دیگر این است که فرآیندهای رخ داده در این مواد در طول زمان انجام می شود. دانشمندان تاکنون نتوانسته اند آنها را با جزئیات بیشتر از میلی ثانیه تا ثانیه ببینند. با این حال، برخی از عملکردهای درون کریستال ها، مانند تغییر شکل یا انتقال حرارت، بسیار سریع اتفاق می افتد. این چیزها به نحوه چیدمان و حرکت اتم های کریستال ها مربوط می شود.

روش های جدید

محدودیت‌ها باعث شد که تیم از روش‌های تصویربرداری مبتنی بر پراش اشعه ایکس استفاده کند که به آنها کمک می‌کند این تغییرات را سه بعدی ببینند. با این حال، دانشمندان می گویند تا کنون، این کار به اندازه کافی سریع یا بدون آسیب رساندن به خود کریستال انجام شده است. روش‌های جدید این کار را سریع‌تر و غیرتهاجمی‌تر انجام می‌دهند و برای بسیاری از کریستال‌ها کارآمد خواهد بود.

برای انجام تصویربرداری با سرعت صوت، لازم بود در انتهای یک لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس (XFEL) به طول 3 کیلومتر یک میکروسکوپ کاملاً جدید ساخته شود. وقتی یک منبع پرتو ایکس به طول 3 کیلومتر را از طریق عدسی های متعدد و روی نمونه ای با عرض 1 میلی متر هدف گیری می کنید، مطمئن نباشید که موفق خواهید شد، در حالی که امیدوارید موج صوتی را ببینید که فقط برای یک میلیونیم ثانیه وجود دارد.

پرتوهای لیزر نوری و اشعه ایکس ما باید روی نمونه الماس تک کریستالی به اندازه میلی‌متر با دقت زمان‌بندی بهتری نسبت به یک نانوثانیه قبل از اینکه بتوان اولین داده‌ها را به دست آورد، برخورد می‌کرد. هنینگ فریس پولسن، استاد دانشگاه DTU و نویسنده این مطالعه، گفت: اما ما این کار را انجام دادیم و معتقدم این نتایج الهام‌بخش بسیاری از تحقیقات جدید خواهد بود.

با استفاده از این تکنیک، محققان می‌توانند پدیده‌های ساختاری فوق‌سریع مختلفی را که برای مدت طولانی از محققان دور بوده‌اند، بررسی کنند. علوم زمین، تحقیقات مواد و فیزیک حالت جامد همگی از توانایی دیدن رویدادهای ساختاری در مقیاس های زمانی کمتر از یک میکروثانیه سود می برند. این تیم نمونه‌هایی از چگونگی جلوگیری از درک مکانیسم‌های دخیل در مواد ترموالکتریک، کریستال‌های فوتونی، متا مواد یا حتی مواد نرم مانند پریلن و پروسکایت‌های هیبریدی را برجسته می‌کند. آزمایش مدل‌های لرزه‌شناختی نحوه حرکت صوت در مواد سیاره‌ای نیز ممکن است برای علم زمین مفید باشد.

جزئیات این تحقیق در مجله PNAS منتشر شده است.