Door licht geïnduceerde symmetrieveranderingen in kleine kristallen stellen onderzoekers in staat om materialen te creëren met op maat gemaakte eigenschappen

Stel je voor dat je een LEGO -toren bouwt met perfect uitgelijnde blokken. Elk blok vertegenwoordigt een atoom in een klein kristal, bekend als een kwantumstip. Net zoals het stoten van de toren de blokken kan verschuiven en de structuur van zijn structuur kan veranderen, kunnen externe krachten de atomen in een kwantumstip verschuiven, zijn symmetrie breken en de eigenschappen beïnvloeden.

Wetenschappers hebben geleerd dat ze opzettelijk symmetrie kunnen veroorzaken – of symmetrieherstel – in kwantumstippen om nieuwe materialen te creëren met unieke eigenschappen. In een recente studie hebben onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) ontdekt hoe ze licht kunnen gebruiken om de rangschikking van atomen in deze minuscule structuren te veranderen.

Kwantumstippen gemaakt van halfgeleidermaterialen, zoals loodsulfide, staan ​​bekend om hun unieke optische en elektronische eigenschappen vanwege hun kleine grootte, waardoor ze een revolutie teweegbrengen in velden zoals elektronica en medische beeldvorming. Door het vermogen te benutten om symmetrie in deze kwantumstippen te regelen, kunnen wetenschappers de materialen aanpassen om specifieke licht- en elektriciteitsgerelateerde eigenschappen te hebben. Dit onderzoek opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van materialen die taken kunnen uitvoeren die eerder onmogelijk vonden, en biedt een weg naar innovatieve technologieën.

Typisch wordt verwacht dat loodsulfide een kubieke kristalstructuur vormt, gekenmerkt door hoge symmetrie vergelijkbaar met die van tafelzout. In deze structuur moeten lood- en zwavelatomen zich in een zeer geordend rooster rangschikken, net als afwisselend rode en blauwe Lego -blokken.

Eerdere gegevens hebben echter gesuggereerd dat de loodatomen niet precies waren waar ze werden verwacht. In plaats daarvan waren ze enigszins off-center, wat leidde tot een structuur met minder symmetrie.

“Wanneer symmetrieën veranderen, kan dit de eigenschappen van een materiaal veranderen, en het is bijna als een gloednieuw materiaal,” legde Argonne-fysicus Richard Schaller uit. “Er is veel interesse in de wetenschappelijke gemeenschap om manieren te vinden om staten van materie te creëren die niet onder normale omstandigheden kunnen worden geproduceerd.”

Het team gebruikte geavanceerde laser- en röntgentechnieken om te bestuderen hoe de structuur van leadsulfide-kwantumstippen veranderde bij blootstelling aan licht. Bij DOE’s SLAC National Accelerator Laboratory gebruikten ze een tool genaamd Megaelectronvolt Ultraskast Electron Diffraction (MEV-Agde) om het gedrag van deze kwantumstippen in ongelooflijk korte tijdframes te observeren, tot een triljoenste van een seconde.

Ondertussen, bij de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit bij Argonne, voerden ze ultrasnelle totale röntgenverstrooiingsexperimenten uit met bundellijn 11-ID-D om tijdelijke structurele veranderingen te bestuderen op tijdschalen tot een miljardste van een seconde. Deze röntgenmetingen hebben geprofiteerd van de recente APS-upgrade, die röntgenstralen met hoge energie levert die tot 500 keer helderder zijn dan voorheen.

Bovendien presteerde het team in het Centrum voor Nanoschaal -materialen, een ander DOE Office of Science -gebruikersfaciliteit bij Argonne, snel – nog minder dan een triljoenste van een seconde – optische absorptiemetingen om te begrijpen hoe de elektronische processen veranderen wanneer de symmetrie verandert. Deze ultramoderne faciliteiten bij Argonne en SLAC speelden een cruciale rol bij het helpen van onderzoekers om meer te leren over het beheersen van symmetrie en de optische eigenschappen van de kwantumstippen op zeer snelle tijdschalen.

Met behulp van deze technieken zagen de onderzoekers dat wanneer kwantumstippen werden blootgesteld aan korte uitbarstingen van het licht, de symmetrie van de kristalstructuur veranderde van een ongeordende toestand in een meer georganiseerde toestand.

“Wanneer kwantumstippen een lichtpuls absorberen, zorgen de geëxciteerde elektronen ervoor dat het materiaal verschuift naar een meer symmetrische opstelling, waarbij de loodatomen teruggaan naar een gecentreerde positie,” zei Burak Guzelturk, een fysicus bij de APS.

De terugkeer van symmetrie beïnvloedde direct de elektronische eigenschappen van de kwantumstippen. Het team zag een afname van de bandgap -energie, wat het verschil in energie is dat elektronen moeten springen van de ene toestand naar de andere binnen een halfgeleidermateriaal. Deze verandering kan beïnvloeden hoe goed de kristallen elektriciteit leiden en reageren op externe krachten, zoals elektrische velden.

Bovendien hebben de onderzoekers ook onderzocht hoe de grootte van de kwantumstippen en hun oppervlaktechemie de tijdelijke veranderingen in symmetrie beïnvloeden. Door deze factoren aan te passen, kunnen ze de symmetrieverschuivingen regelen en de optische en elektronische eigenschappen van de kwantumstippen verfijnen.

“We gaan er vaak van uit dat de kristalstructuur niet echt verandert, maar deze nieuwe experimenten laten zien dat de structuur niet altijd statisch is wanneer het licht wordt geabsorbeerd,” zei Schaller.

De bevindingen van deze studie zijn belangrijk voor nanowetenschap en technologie. In staat om de symmetrie van kwantumstippen te veranderen met behulp van alleen lichtpulsen, kunnen wetenschappers materialen maken met specifieke eigenschappen en functies. Net zoals LEGO -stenen kunnen worden omgezet in eindeloze structuren, leren onderzoekers hoe ze kwantumstippen kunnen “bouwen” met de eigenschappen die ze willen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor nieuwe technologische vooruitgang.

De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen.