เว็บตรง การเปลี่ยนเฟสแปลก ๆ ของวาเนเดียมไดออกไซด์ยิ่งแปลกขึ้น

เมื่อวัสดุเปลี่ยนจากฉนวนเป็นตัวนำ อะตอมของวัสดุก็จะเคลื่อน เว็บตรง ที่อย่างไม่เป็นระเบียบเป็นครั้งแรกที่นักวิจัยได้รับมุมมองโดยละเอียดว่าอะตอมในสารประกอบที่เรียกว่าวาเนเดียมไดออกไซด์เคลื่อนที่อย่างไรเมื่อพัลส์เลเซอร์เร็วมากเปลี่ยนวัสดุจากฉนวนไฟฟ้าไปเป็นตัวนำ และไม่เหมือนกับที่นักวิทยาศาสตร์คาดไว้

แทนที่จะเปลี่ยนจากรูปแบบผลึกหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งในลักษณะที่ซิงโครไนซ์โดยตรง 

เช่น นักบัลเล่ต์ที่ออกแบบท่าเต้น อะตอมจะเคลื่อนไปรอบๆในลักษณะที่ไม่เป็นระเบียบ เหมือนกับผู้ที่ไปปาร์ตี้ที่ซุ่มซ่ามกำลังเล่น Cha Cha Slide ข้อมูลเชิงลึกใหม่นี้เกี่ยวกับการทำงานภายในของวาเนเดียมไดออกไซด์ ซึ่งรายงานในวารสาร Science เมื่อวันที่ 2 พฤศจิกายน อาจแจ้งให้วิศวกรที่พยายามควบคุมลักษณะสองประการของสารประกอบนี้และอื่น ๆ ที่คล้ายคลึงกันสำหรับเทคโนโลยีใหม่ ๆ

นักวิทยาศาสตร์รู้สึกทึ่งมาเป็นเวลาหลายสิบปีโดยธรรมชาติของการเปลี่ยนสถานะฉนวนไปเป็นโลหะของวาเนเดียมไดออกไซด์ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวัสดุได้รับความร้อนสูงกว่า 67 องศาเซลเซียสหรือกระแทกด้วยเลเซอร์พัลส์ที่เร็วมาก แต่เรื่องไฟฟ้าเกี่ยวกับใบหน้านั้นยากต่อการศึกษา เพราะมันเกิดขึ้นในเวลาประมาณ 150 femtoseconds หรือหนึ่งในสี่ล้านล้านของวินาที

การทดลองอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการจี้อะตอมวาเนเดียมไดออกไซด์ด้วยแสงเลเซอร์ได้วัดเฉพาะการเคลื่อนที่เฉลี่ยของอะตอมระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ แนวโน้มทั่วไปเหล่านี้ชี้ให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างราบรื่นจากการก่อตัวเป็นผลึกอีกรูปแบบหนึ่ง แต่ไม่มีรายละเอียดเพียงพอที่จะเปิดเผยความเบี่ยงเบนเล็กน้อยในการเคลื่อนที่ของอะตอม 

Mariano Trigo นักฟิสิกส์จาก SLAC National Accelerator Laboratory ใน Menlo Park, Calif. และเพื่อนร่วมงานได้ตรวจสอบสารประกอบนี้อย่างใกล้ชิดโดยใช้คลื่นรังสีเอกซ์เกินขีด หลังจากชนตัวอย่างวาเนเดียมไดออกไซด์ด้วยแสงเลเซอร์ที่เร็วมากเพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของฉนวนไปเป็นโลหะ นักวิจัยได้ทดสอบสารประกอบนี้ด้วยชุดของพัลส์เอ็กซ์เรย์ ซึ่งแต่ละอันมีความยาวสองสามสิบเฟมโตวินาที

Olivier Delaire นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุแห่งมหาวิทยาลัย Duke อธิบาย ว่าการแผ่รังสีเอกซ์นี้กระจัดกระจายอะตอมในวัสดุ โดยเผยให้เห็นตำแหน่งของอนุภาคในเวลาที่แต่ละชีพจร จังหวะนั้นเร็วและรุนแรงมากจนติดตามการเคลื่อนไหวของอะตอมได้แม่นยำกว่ามาก และในช่วงเวลาที่สั้นกว่าการทดลองอื่นๆ

Ralph Ernstorfer นักฟิสิกส์จากสถาบัน Fritz Haber แห่ง Max Planck Society ในกรุงเบอร์ลิน กล่าวว่า “มันเจ๋งมาก” ที่ได้เห็นการเคลื่อนที่ของอะตอมในรายละเอียดดังกล่าว

สแนปชอตของอะตอมเหล่านี้เผยให้เห็นการเคลื่อนไหวที่แยกจากกันของอะตอมวาเนเดียมจากโครงสร้างผลึกหนึ่งไปยังโครงสร้างถัดไป การจำลองด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของอะตอมวาเนเดียมที่สร้างตัวเองใหม่ด้วยวิธีนี้จะทำให้เกิดรูปแบบการกระเจิงของรังสีเอกซ์ที่เกือบจะเหมือนกันทุกประการในการทดลอง

การเปลี่ยนสถานะเป็นฉนวนเป็นโลหะอย่างรวดเร็วของวาเนเดียมไดออกไซด์

อาจเป็นพื้นฐานของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่เร็วมาก หรืออุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์จากความสัมพันธ์ที่แปลกประหลาดของวาเนเดียมไดออกไซด์กับแสงและไฟฟ้าเพื่ออำพรางหรือให้ความร้อนและความเย็นอย่างมีประสิทธิภาพ ( SN Online: 10/25/13 ) การทำความเข้าใจโครงสร้างภายในของวัสดุนี้สามารถช่วยให้วิศวกรควบคุมคุณสมบัติของวัสดุได้ดีขึ้น Richard Averitt นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานดิเอโกไม่เกี่ยวข้องกับงานนี้กล่าว

ทีมเทคนิคของ Trigo ที่ใช้ในการตรวจสอบวาเนเดียมไดออกไซด์อาจช่วยนักวิจัยตรวจสอบวัสดุอื่น ๆ ที่เปลี่ยนลักษณะเฉพาะภายใต้อิทธิพลของแสงเลเซอร์ Averitt กล่าว สิ่งเหล่านี้อาจรวมถึงวัสดุที่เปลี่ยนคุณสมบัติของแม่เหล็กหรือกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ส่งไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน “มีอนาคตที่สดใสมาก” สำหรับการเปิดเผยสิ่งที่เกิดขึ้นของอะตอมในวัสดุสองหน้าดังกล่าว เขากล่าว

การค้นพบนี้ นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า การค้นพบนี้สามารถเติมพลังให้กับสนามที่เพิ่งตั้งไข่ ซึ่งเรียกว่าดาราศาสตร์นิวทริโนแบบมัลติเมสเซนเจอร์ เพื่อเปิดเผยความลับของจักรวาล ไม่ว่าจะจากเบลซาร์หรือแหล่งอื่นๆ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Kohta Murase จาก Penn State กล่าวว่า “เราสามารถใช้นิวตริโนเป็นเครื่องมือตรวจสอบที่สำคัญมาก” เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวัตถุที่คายพวกมันออกมา ตัวอย่างเช่น นักวิจัยอาจมองเห็นนิวตริโนจากการชนกันของดาวนิวตรอนสองดวงเช่นเดียวกับที่ตรวจพบโดย Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO ในปี 2017 ( SN: 11/11/17, p. 6 ) IceCube ไม่เห็นนิวตริโนใด ๆ จากเหตุการณ์นั้น แต่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์มีความหวังว่าการชนกันของดาวนิวตรอนในอนาคตจะทำให้ได้รับเงินรางวัลจากนิวทริโน

ก่อนที่นักวิทยาศาสตร์จะมั่นใจอย่างเต็มที่ว่า blazars สามารถระเบิดนิวตริโนพลังงานสูงได้ นักวิจัยจำเป็นต้องตรวจจับอนุภาคที่เจ้าเล่ห์มากกว่านี้ Murase กล่าว เพื่อปรับปรุงการตรวจจับ การอัพเกรดเป็น IceCube จะทำให้เครื่องตรวจจับมีขนาดใหญ่ขึ้น 10 เท่า และน่าจะพร้อมใช้ภายในกลางปี ​​2020 ฟรานซิส ฮัลเซน ผู้นำของ IceCube และนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน กล่าว หากทุกอย่างเป็นไปด้วยดี ในไม่ช้าอนุภาคเล็กๆ อาจเปิดเผยความลับจากมุมใหม่ของจักรวาล เว็บตรง