Камера с выдержкой в триллионную долю секунды фиксирует хаос в действии

Камера с выдержкой в триллионную долю секунды фиксирует хаос в действии

Для создания снимков обычные цифровые камеры открывают затвор на одну четырёхтысячную секунды. Однако, чтобы зафиксировать атомную активность, нужна значительно более быстрая выдержка.

Учёные разработали метод, позволяющий получать снимки с выдержкой в триллионную долю секунды. Это в 250 миллионов раз быстрее, чем у цифровых камер. Благодаря этому открытию мы можем запечатлеть динамический беспорядок — движение и танцы атомов в материале, вызванные вибрацией или изменением температуры. Понимание этого явления важно для материаловедения.

Новая система выдержки, представленная в 2023 году, позволяет глубже изучить динамический беспорядок. Исследователи назвали её функцией распределения атомных пар с переменным затвором, или vsPDF.

«С помощью нового инструмента vsPDF мы можем по-настоящему увидеть эту сторону материалов», — пояснил учёный-материаловед Саймон Биллиндж из Колумбийского университета. «Теперь мы можем наблюдать за материалом и видеть, какие атомы участвуют в движении».

Высокая выдержка помогает запечатлеть быстро движущиеся объекты, такие как колеблющиеся атомы. Метод vsPDF использует нейтроны для измерения положения атомов, а не стандартные методы фотосъемки. Отслеживая, как нейтроны проходят через материал, можно измерить окружающие атомы и корректировать выдержку.

Различия в выдержке помогают выделить динамический беспорядок из статического — обычного фона движения атомов, который не улучшает функции материала. «Этот метод открывает новый путь для понимания сложных эффектов в материалах», — отметил Биллиндж.

Исследователи использовали свою нейтронную камеру для изучения теллурида германия (GeTe), который применяется для преобразования тепла в электричество и охлаждения. Камера показала, что структура GeTe оставалась кристаллической при любой температуре, но при высоких температурах наблюдался более динамичный беспорядок, когда атомы обменивались теплом.

Понимание этих структур поможет улучшить знания о термоэлектрике и разработать более эффективные материалы и устройства, такие как приборы для марсоходов, работающих при отсутствии солнечного света.

Хотя предстоит ещё много работы, чтобы vsPDF стал широко используемым методом тестирования, исследователи уверены в его будущем потенциале. «Мы ожидаем, что метод vsPDF станет стандартным инструментом для изучения структур в энергетических материалах», — заключают авторы исследования.

Science XXI