Η πολύ ευαίσθητη σκέδαση ακτίνων Χ δείχνει γιατί ένα εξωτικό υλικό είναι μερικές φορές μεταλλικό, μονωτικό

Οι επιστήμονες έχουν από καιρό γοητευτεί από το υλικό διοξείδιο του βαναδίου, το οποίο μπορεί να αλλάξει ανάμεσα σε μεταλλική και μονωτική κατάσταση όταν θερμαίνεται ή ψύχεται. Αυτή η ασυνήθιστη ιδιοκτησία έχει τη δυνατότητα εφαρμογών στην ηλεκτρονική και την αποθήκευση ενέργειας, αλλά οι επιστήμονες δεν έχουν κατανοήσει πλήρως τους θεμελιώδεις μηχανισμούς πίσω από αυτή τη μετάβαση.

Τώρα, μια ομάδα ερευνητών στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών του Τμήματος Ενέργειας και στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, χρησιμοποίησε μια ισχυρή τεχνική σκέδασης ακτίνων Χ για να διερευνήσει την ατομική δομή του διοξειδίου του βαναδίου κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύονται σε υλικά φύσης, αποκαλύπτουν μια νέα κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα άτομα του υλικού αναδιατάχθηκαν καθώς μετατρέπει τις καταστάσεις και θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να σχεδιάσουν υλικά με παρόμοιες ιδιότητες για συγκεκριμένες εφαρμογές.

"Το διοξείδιο του βαναδίου είναι ένα συναρπαστικό υλικό λόγω των δυνατοτήτων του για εφαρμογές, αλλά η συμπεριφορά του ήταν ένα παζλ", δήλωσε ο επιστήμονας του προσωπικού της SLAC Giulia Mancini, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. «Θέλαμε να καταλάβουμε γιατί μεταβαίνει από ένα μέταλλο σε μονωτή και ποιοι είναι οι ατομικοί μηχανισμοί πίσω από αυτή την αλλαγή».

Όταν θερμαίνεται πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, το διοξείδιο του βανατικού υφίσταται δομικό μετασχηματισμό όπου τα άτομα στο κρυσταλλικό πλέγμα του ξαφνικά αναδιατάζονται. Αυτή η αλλαγή προκαλεί το υλικό να χάσει τις μεταλλικές του ιδιότητες και να γίνει μονωτής, πράγμα που σημαίνει ότι δεν διεξάγει πλέον ηλεκτρικό ρεύμα.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη συνεκτική πηγή φωτός Linac της SLAC (LCLS), ένα λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου που παράγει εξαιρετικά έντονα παλμούς ακτίνων Χ, για να μελετήσει την ατομική δομή του διοξειδίου του βαναδίου καθώς υφίσταται αυτή τη μετάβαση. Με την πυροδότηση αυτών των παλμών σε δείγματα του υλικού, θα μπορούσαν να συλλάβουν στιγμιότυπα των ατομικών θέσεων με πρωτοφανείς λεπτομέρειες.

Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι η αναδιάταξη περιλαμβάνει μια λεπτή αλλαγή στην κλίση του οκταεδρά βαναδίου-οξυγόνου, τα οποία είναι τα δομικά στοιχεία του κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτή η μικρή ρύθμιση προκαλεί αλλαγή στις ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού, οδηγώντας στη μετάβαση από το μέταλλο σε μονωτή.

"Προς έκπληξή μας, παρατηρήσαμε μια νέα ενδιάμεση φάση στη μετάβαση του υλικού", δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Yixi Xu, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Stanford. "Αυτή η φάση θα μπορούσε να αποτελέσει βασικό παράγοντα για την κατανόηση της υποκείμενης φυσικής και θα μπορούσε να μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε υλικά που παρουσιάζουν παρόμοιους αναστρέψιμους μετασχηματισμούς για τεχνολογικές εφαρμογές".

Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να διερευνήσει περαιτέρω αυτήν την ενδιάμεση φάση και να διερευνήσει τον τρόπο με τον οποίο θα μπορούσε να ελεγχθεί και να χρησιμοποιηθεί σε μελλοντικά υλικά για ηλεκτρονικές συσκευές.

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Επιστήμης του DOE, την εγκατάσταση LCLS της SLAC και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.