Камера с выдержкой в ​​триллионную долю секунды фиксирует хаос в действии: ScienceAlert

Чтобы сделать снимок, лучшие цифровые камеры на рынке открывают затвор примерно на четыре тысячные секунды.

Чтобы сфотографировать атомную активность, вам понадобится затвор, который сделает снимки быстрее.

Имея это в виду, ученые нашли способ добиться выдержки в триллионную долю секунды, что в 250 миллионов раз быстрее, чем у цифровых камер. Это дает им возможность уловить что-то очень важное в материаловедении: динамическую турбулентность.

Проще говоря, это явление возникает, когда группы атомов движутся и танцуют в веществе определенным образом в течение определенного периода времени — например, в результате вибрации или изменения температуры. Это явление еще не до конца изучено, но оно чрезвычайно важно для свойств материалов и их взаимодействий.

Новая сверхкороткая система выдержки, представленная в 2023 году, позволяет нам гораздо глубже взглянуть на то, что происходит с динамической турбулентностью. Исследователи называют свое изобретение переменной функцией распределения пар атомов затвора, или сокращенно vsPDF.

«Только с помощью этого нового инструмента vsPDF мы сможем по-настоящему увидеть эту сторону материала». Он сказал Ученый-материаловед Саймон Беллинг из Колумбийского университета в Нью-Йорке.

«С помощью этой техники мы сможем наблюдать за веществом и видеть, какие атомы танцуют, а какие находятся снаружи».

Более короткая выдержка позволяет получить более точный снимок времени, что помогает запечатлеть быстродвижущиеся объекты, например быстро вибрирующие атомы. Например, если вы используете короткую выдержку для фотографии спортивного матча, в кадре получатся размытые игроки.

Чтобы достичь невероятной скорости захвата изображений, vsPDF использует нейтроны для измерения положения атомов, а не традиционные методы визуализации. То, как нейтроны попадают в материю и проходят сквозь нее, можно проследить, чтобы измерить атомы вокруг них, при этом изменения уровней энергии эквивалентны корректировке выдержки.

Эти изменения выдержки важны, как и выдержки до триллионной доли секунды: они жизненно важны для выделения динамических возмущений из родственных, но различных статических возмущений – естественного фона, вибрирующего вместо атомов, который не усиливает функция материи.

«Это дает нам совершенно новый способ распутать сложности того, что происходит со сложными материалами, и скрытые эффекты, которые могут улучшить их свойства». Он сказал Счета.

В данном случае исследователи настроили свою нейтронную камеру на вещество под названием… Теллурид германия (GeTe), который благодаря своим особым свойствам широко используется для преобразования отработанного тепла в электричество или электричества в охлаждение.

Камера показала, что GeTe сохранил кристаллическую структуру. в середине, При любых температурах. Но при более высоких температурах они демонстрировали более динамический беспорядок: атомы обменивали движение на тепловую энергию по градиенту, соответствующему направлению спонтанной электрической поляризации материала.

Лучшее понимание этих физических структур улучшает наши знания о том, как работают термоэлектрические материалы, что позволяет нам разрабатывать более качественные материалы и оборудование, например, инструменты, которые приводят в действие марсоходы, когда солнечный свет недоступен.

С помощью моделей, основанных на наблюдениях, снятых новой камерой, можно улучшить научное понимание этих материалов и процессов. Однако предстоит еще много работы, прежде чем vsPDF станет широко используемым методом тестирования.

«Мы ожидаем, что описанная здесь методика vsPDF станет стандартным инструментом для согласования локальных и промежуточных структур в энергетических материалах», — говорят исследователи. объяснить В их газете.

Исследование было опубликовано в Природные материалы.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в марте 2023 года.