Една трилионна от секундата: Създадоха най-бързия фотоапарат, улавящ хаоса

З а да направят снимка, най-добрите цифрови фотоапарати на пазара отварят затвора си за около 1/4000 от секундата. За да заснемете моментна атомна активност, ще ви е необходим затвор, който щраква много по-бързо.

New 'camera' with #shutter speed of 1 trillionth of a second sees through dynamic disorder of atoms @CUSEAS @NatureMaterials https://t.co/1JIe3Hr19F https://t.co/KVQrHD5rd0

— Phys.org (@physorg_com) March 7, 2023

Сега учените са измислили начин за постигане на скорост на затвора, която е само една трилионна от секундата, или 250 милиона пъти по-бърза от тези цифрови фотоапарати. Това го прави способен да улови нещо много важно в науката за материалите: динамично разстройство.

Казано по-просто, това е, когато клъстери от атоми се движат в даден материал по специфични начини за определен период от време – предизвикани от вибрация или промяна на температурата, например. Това не е феномен, който все още разбираме напълно, но е от решаващо значение за свойствата и реакциите на материалите.

Trillionth-of-a-Second Shutter Speed Camera Catches Chaos in Action https://t.co/RxzPU61cNI pic.twitter.com/Hk8YWQotPS

— Mark Oehlert (@moehlert) March 14, 2023

Новата система за супер бърза скорост на затвора ни дава много по-добра представа какво се случва с динамичния безпорядък. Изследователите се позовават на своето изобретение като функция за разпределение на атомни двойки с променлив затвор или накратко vsPDF.

„Само с този нов vsPDF инструмент можем наистина да видим тази страна на материалите“, казва ученият по материали Саймън Билинге от Колумбийския университет в Ню Йорк.

По-високата скорост на затвора улавя по-прецизна моментна снимка на времето, което е полезно за бързо движещи се обекти като бързо трептящи атоми. Използвайте ниска скорост на затвора в снимка на спортна игра, например, и ще получите замъглени играчи в кадъра.

За да постигне удивително бързата си снимка, vsPDF използва неутрони за измерване на позицията на атомите, вместо конвенционалните фотографски техники. Начинът, по който неутроните удрят и преминават през материал, може да бъде проследен, за да се измерят околните атоми, с промени в енергийните нива, еквивалентни на корекции на скоростта на затвора.

Тези вариации в скоростта на затвора са значителни, както и скоростта на затвора от трилионна част от секундата. Това ни дава изцяло нов начин да разплитаме сложността на това, което се случва в сложните материали, и скритите ефекти, които могат да засилят свойствата им.

В този случай изследователите са тренирали своята неутронна камера върху материал, наречен германиев телурид (GeTe), който поради специфичните си свойства се използва широко за преобразуване на отпадъчната топлина в електричество или електричеството в охлаждане.

Камерата разкри, че GeTe остава структуриран като кристал средно при всички температури. Но при по-високи температури той показва по-динамично разстройство, където атомите обменят движение в топлинна енергия, следвайки градиент, който съответства на посоката на спонтанната електрическа поляризация на материала.

По-доброто разбиране на тези физически структури подобрява познанията ни за това как работи термоелектричеството, позволявайки ни да разработваме по-добри материали и оборудване – като например инструментите, захранващи роувърите на Марс, когато слънчевата светлина не е достъпна.

Чрез модели, базирани на наблюдения, заснети от новата камера, научното разбиране на тези материали и процеси може да бъде подобрено. Има обаче още много работа, за да стане vsPDF готов да бъде широко използван метод за тестване.

„Очакваме, че техниката vsPDF, описана тук, ще се превърне в стандартен инструмент за съгласуване на местни и средни структури в енергийни материали“, пишат изследователите в публикувания си документ.