양자 물질의 과도 위상을 연구하기 위한 새로운 X선 이미징 기술
날짜:
2022년 12월 22일
원천:
ICFO-광자 과학 연구소
요약:
국제 연구팀은 최근 위상 전이를 이미지화하기 위해 새로운 렌즈리스 초고속 X-Ray 방법을 사용하는 것을 처음으로 시연했습니다. 이 새로운 방법은 나노 스케일에서 양자 물질의 역학을 직접 관찰할 수 있게 해줍니다.
양자 물질에서 과도 위상을 생성하기 위해 빛을 사용하는 것은 초전도성 또는 나노 크기의 토폴로지 결함 생성과 같은 새로운 특성을 엔지니어링하는 새로운 방법으로 빠르게 자리잡고 있습니다. 그러나 새로운 단계의 성장을 솔리드로 시각화하는 것은 부분적으로 프로세스와 관련된 광범위한 공간 및 시간 규모로 인해 쉽지 않습니다.
지난 20년 동안 과학자들은 나노스케일 역학을 불러일으킴으로써 빛에 의한 상전이를 설명했지만, 실제 공간 이미지는 아직 생성되지 않았기 때문에 아무도 그것을 본 적이 없습니다.
Nature Physics에 발표된 새로운 연구에서 전 ICFO 교수인 Simon Wall이 이끄는 ICFO 연구원 Allan S. Johnson과 Daniel Pérez-Salinas는 Aarhus University, Seogang University, Vanderbilt University, Max Born Institute, Diamond Light Source, ALBA Synchrotron, Utrecht University 및 Pohang Accelerator Laboratory는 공간적 및 시간적 해상도가 높은 바나듐 산화물(VO 2 ) 에서 광 유도 상전이를 캡처할 수 있는 새로운 이미징 방법을 개척했습니다 .
연구원들이 구현한 새로운 기술은 자유 전자 레이저에서 간섭성 X선 하이퍼스펙트럼 이미징을 기반으로 하며, 이를 통해 매우 잘 알려진 절연체에서 금속으로의 위상 전이를 나노스케일에서 시각화하고 더 잘 이해할 수 있습니다. 양자 물질.
결정 VO 2 는 광유도 상전이 연구에 널리 사용되어 왔습니다. 이것은 시간 분해 X-선 회절에 의해 추적된 고체-고체 전이를 가진 최초의 물질이었으며 최초의 초고속 X-선 흡수 기술을 사용하여 전자 특성을 연구했습니다. 실온에서 VO 2 는 절연 단계에 있습니다. 그러나 빛이 재료에 적용되면 바나듐 이온 쌍의 이합체를 깨고 절연 상태에서 금속 상태로의 전이를 구동할 수 있습니다.
실험에서 이 연구의 저자는 시야를 정의하기 위해 골드 마스크가 있는 VO 2 의 얇은 샘플을 준비했습니다. 그런 다음 샘플을 포항 가속기 연구소의 X선 자유 전자 레이저 시설로 가져가 광 레이저 펄스가 과도 위상을 유도한 후 초고속 X선 레이저 펄스로 조사했습니다. 카메라는 산란된 X-선을 포착하고 FTH(Fourier Transform Holography) 및 CDI(Coherent Diffractive Imaging)의 두 가지 접근 방식을 사용하여 간섭성 산란 패턴을 이미지로 변환했습니다. 이미지는 150 펨토초 시간 분해능과 50 nm 공간 분해능뿐만 아니라 전체 하이퍼스펙트럼 정보로 공정 동영상을 구축하기 위해 다양한 시간 지연 및 X선 파장에서 촬영되었습니다.
압력의 놀라운 역할
새로운 방법론을 통해 연구자들은 VO 2 의 상전이 역학을 더 잘 이해할 수 있었습니다 . 그들은 압력이 이전에 예상했거나 가정한 것보다 빛에 의한 상전이에서 훨씬 더 큰 역할을 한다는 것을 발견했습니다.
"우리는 일시적인 단계가 사람들이 생각하는 것만큼 이국적이지 않다는 것을 확인했습니다! 진정한 비평형 단계 대신에 우리가 본 것은 초고속 전환이 본질적으로 엄청난 내부 압력으로 이어진다는 사실에 우리가 잘못 인도되었다는 것입니다. 대기압보다 수백만 배 더 높은 샘플입니다. 이 압력은 재료 특성을 변경하고 이완하는 데 시간이 걸리므로 일시적인 단계가 있는 것처럼 보입니다."라고 ICFO의 박사후 연구원인 Allan Johnson은 말합니다. "우리의 이미징 방법을 사용하여 우리는 적어도 이 경우에 우리가 본 피코초 역학과 나노 규모의 변화 또는 이국적인 단계 사이에 연관성이 없음을 확인했습니다. 따라서 이러한 결론 중 일부를 다시 검토해야 할 것 같습니다. ."
프로세스에서 압력이 수행하는 역할을 식별하려면 하이퍼스펙트럼 이미지를 사용하는 것이 중요했습니다. "이미징과 분광법을 하나의 훌륭한 이미지로 결합함으로써 우리는 실제로 자세한 특징을 보고 그것들이 어디에서 왔는지 정확히 해독할 수 있도록 하는 훨씬 더 많은 정보를 검색할 수 있습니다."라고 Johnson은 계속합니다. "이것은 우리 결정의 각 부분을 살펴보고 그것이 정상적인 상태인지 아니면 비정상적인 평형 상태인지를 결정하는 데 필수적이었습니다. 이 정보를 통해 우리는 결정의 모든 영역이 위상 전이 동안 압력을 제외하고는 동일합니다."
도전적인 연구
연구원들이 실험 중에 직면한 주요 과제 중 하나는 VO2의 결정 샘플이 매번 그리고 레이저 조명을 받은 후에 원래의 시작 단계로 돌아가도록 하는 것이 었습니다. 이를 보장하기 위해 그들은 싱크로트론에서 예비 실험을 수행하여 여러 개의 수정 샘플을 채취하고 레이저를 반복적으로 비추어 원래 상태로 복구할 수 있는 능력을 테스트했습니다.
두 번째 과제는 X선 자유 전자 레이저, 실험을 수행할 시간대가 전 세계에 몇 개 밖에 없기 때문에 매우 경쟁적이고 수요가 많은 대규모 연구 시설에 접근하는 데 있었습니다. Johnson은 "우리는 코로나19 제한으로 인해 한국에서 2주 동안 격리되어 실험을 수행하기 위해 단 5일의 원샷을 얻어야 했기 때문에 힘든 시간을 보냈습니다."라고 회상합니다.
연구원들은 현재 작업을 기초 연구로 설명하지만, 이 기술의 잠재적인 응용 프로그램은 "촉매 물질 내부에서 이동하는 폴라론을 관찰하고, 초전도체 자체를 이미징하거나 내부를 보고 이미징함으로써 새로운 나노 기술을 이해하는 데 도움을 줄 수 있기 때문에 다양할 수 있습니다. 나노스케일 장치"는 Johnson의 결론입니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/