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二氧化钒的相变变得怪异 原子会混乱地移动

研究人员第一次详细了解了当超快激光脉冲将材料从电绝缘体转换为导体时,一种叫做二氧化钒的化合物中的原子是如何移动的 - 这与科学家的预期完全不同。

而不是像一个精心设计的芭蕾舞女演员那样以直接,同步的方式从一个晶体形态转换到另一个晶体形态,原子以无序的方式转移,更像笨拙的派对者做Cha Cha Slide。在11月2日的科学报告中,对二氧化钒内部运作的这种新见解可能会让那些试图利用化合物的双重性质和其他类似物质的工程师了解新技术。

数十年来,科学家一直对二氧化钒的绝缘体 - 金属转变的性质着迷,这种转变发生在材料加热到67摄氏度以上或用超快激光脉冲击中时。但是这种电子表面很难研究,因为它发生在大约150飞秒或十亿分之一秒。

其他涉及用激光搔痒二氧化钒原子的实验仅测量了该转变过程中原子的平均运动。这些一般趋势表明从一个晶体形成到另一个晶体的平滑转变,但不够详细,不足以揭示原子运动的微小偏差。

加利福尼亚州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的物理学家马里亚诺·特里戈(Mariano Trigo)及其同事用超短脉冲的X射线辐射仔细研究了这种化合物。在用超快的激光闪光击中二氧化钒样品以触发其绝缘体到金属的过渡后,研究人员用一系列X射线脉冲击打化合物,每个脉冲长度为几十飞秒。研究合着者,杜克大学材料科学家Olivier Delaire解释说,这种X射线辐射从材料中的原子上散射出来,揭示了每个脉冲时颗粒的位置。脉冲如此迅速和强烈,以至于它们比其他实验更精确地跟踪原子的运动,且时间间隔更短。

柏林马克斯普朗克协会Fritz Haber研究所的物理学家Ralph Ernstorfer表示,“如此精细的细节中看到这些原子运动是非常酷的”。这些原子快照揭示了钒原子从一个晶体结构到下一个晶体结构的混合运动。以这种方式重新调整钒原子的超级计算机模拟再现了与实验完全相同的X射线散射模式。

二氧化钒的超快绝缘体到金属的转变有一天可能形成超高速电子元件的基础,或者利用二氧化钒与光和电的奇怪关系进行伪装或高效加热和冷却的设备(SN Online:10/25/13)。理解这种材料的内部结构可以帮助工程师更好地控制其属性,加州大学圣地亚哥分校的物理学家Richard Averitt表示,他没有参与这项工作。

Averitt说,Trigo团队用于研究二氧化钒的技术也可以帮助研究人员探测其他能够改变激光影响下的特性的材料。这些材料可能包括切换磁性或变成超导体的材料,这些材料无阻力地传输电流。他表示,“在这种双面材料中揭示原子的存在,这是一个非常光明的未来”。

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