La scoperta consente agli scienziati di osservare come i materiali 2D si muovono con una precisione ultraveloce.

Utilizzando una tecnica mai vista prima, gli scienziati hanno trovato un nuovo modo per utilizzare alcuni dei raggi X più potenti al mondo per scoprire come gli atomi si muovono in un singolo foglio atomico a velocità ultraveloci.

Lo studio, guidato da ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory e in collaborazione con altre istituzioni, tra cui l'Università di Washington e il DOE SLAC National Accelerator Laboratory, ha sviluppato una nuova tecnica chiamata diffusione ultraveloce di raggi X di superficie. Questa tecnica ha rivelato la struttura mutevole di un cristallo bidimensionale atomicamente sottile dopo essere stato eccitato con un impulso laser ottico.

"L'estensione della [dispersione superficiale dei raggi X] alla scienza ultraveloce nei materiali a strato singolo rappresenta un importante progresso tecnologico che può mostrarci molto su come si comportano gli atomi sulle superfici e sulle interfacce tra i materiali, ", ha detto lo scienziato di Argonne Haidan Wen.

A differenza delle precedenti tecniche di diffusione superficiale dei raggi X, questo nuovo metodo va oltre la fornitura di un'immagine statica degli atomi sulla superficie di un materiale per catturare i movimenti degli atomi su scale temporali brevi come trilionesimi di secondo dopo l'eccitazione del laser.

La diffusione di raggi X sulla superficie statica e una certa diffusione di raggi X sulla superficie dipendente dal tempo possono essere eseguite su una sorgente di raggi X di sincrotrone, ma per eseguire una diffusione ultraveloce dei raggi X sulla superficie, i ricercatori avevano bisogno di utilizzare il laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) presso SLAC. Questa sorgente luminosa fornisce raggi X molto luminosi con esposizioni estremamente brevi di 50 femtosecondi. Consegnando rapidamente grandi quantità di fotoni al campione, i ricercatori sono stati in grado di generare un segnale di dispersione risolta nel tempo sufficientemente forte, visualizzando così il movimento degli atomi nei materiali 2D.

"La diffusione superficiale dei raggi X è già abbastanza impegnativa da sola, " ha detto il fisico a raggi X di Argonne Hua Zhou, un autore dello studio. "Estenderlo per fare scienza ultraveloce nei materiali a strato singolo rappresenta un importante progresso tecnologico che può mostrarci molto su come si comportano gli atomi sulle superfici e sulle interfacce tra i materiali".

Nei materiali bidimensionali, gli atomi tipicamente vibrano leggermente lungo tutte e tre le dimensioni in condizioni statiche. Però, su scale temporali ultraveloci, emerge un quadro diverso del comportamento atomico, ha detto il fisico di Argonne e autore dello studio Haidan Wen.

Utilizzando lo scattering ultraveloce di raggi X di superficie, Wen e il ricercatore postdottorato I-Cheng Tung hanno condotto un'indagine su un materiale bidimensionale chiamato diseleniuro di tungsteno (WSe ₂ ). In questo materiale, ogni atomo di tungsteno si collega a due atomi di selenio a forma di "V". Quando il materiale monostrato viene colpito con un impulso laser ottico, l'energia del laser fa sì che gli atomi si muovano all'interno del piano del materiale, creando un effetto controintuitivo.

"Normalmente ti aspetteresti che gli atomi si spostino fuori dal piano, poiché è lì che si trova lo spazio disponibile, " Wen ha detto. "Ma qui li vediamo per lo più vibrare all'interno dell'aereo subito dopo l'eccitazione".

Queste osservazioni sono state supportate da calcoli di primo principio guidati da Aiichiro Nakano della University of Southern California e dallo scienziato Pierre Darancet del Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne. una struttura per gli utenti di DOE Office of Science.

Il team ha ottenuto misurazioni preliminari della diffusione dei raggi X sulla superficie presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, anche una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Queste misurazioni, anche se non sono state scattate a velocità ultraveloci, ha permesso ai ricercatori di calibrare il loro approccio per il laser a elettroni liberi LCLS, ha detto Wen.

La direzione degli spostamenti atomici e i modi in cui il reticolo cambia hanno importanti effetti sulle proprietà dei materiali bidimensionali come WSe ₂ , secondo il professore dell'Università di Washington Xiaodong Xu. "Poiché questi materiali 2D hanno ricche proprietà fisiche, gli scienziati sono interessati a usarli per esplorare fenomeni fondamentali e potenziali applicazioni in elettronica e fotonica, ", ha affermato. "La visualizzazione del movimento degli atomi nei singoli cristalli atomici è una vera svolta e ci consentirà di comprendere e personalizzare le proprietà dei materiali per le tecnologie rilevanti per l'energia".

"Questo studio ci offre un nuovo modo per sondare le distorsioni strutturali nei materiali 2D mentre si evolvono, e per capire come sono correlati alle proprietà uniche di questi materiali che speriamo di sfruttare per i dispositivi elettronici che utilizzano, emettere o controllare la luce, " ha aggiunto Aaron Lindenberg, professore allo SLAC e alla Stanford University e collaboratore dello studio. "Questi approcci sono applicabili anche a un'ampia classe di altri fenomeni interessanti e poco compresi che si verificano nelle interfacce tra i materiali".

Un documento basato sullo studio, "Dinamica strutturale anisotropica dei cristalli monostrato rivelata dallo scattering di raggi X sulla superficie di femtosecondi, " apparso nell'edizione online dell'11 marzo di Fotonica della natura .

Altri autori dello studio includevano ricercatori dell'Università di Washington, Università della California del Sud, Università di Stanford, SLAC e Kumamoto University (Giappone). L'APS, CNM, e LCLS sono DOE Office of Science User Facilities.