Nieuwe bevindingen over ‘oude’ materialen informeren onze toekomst en ons verleden

Grafisch abstract. Credit: MRS-vooruitgang (2022). DOI: 10.1557/s43580-022-00352-w

Een team van onderzoekers onder leiding van Edwin Fohtung van het Rensselaer Polytechnic Institute, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering, heeft expertise in wiskunde en fysica van gecondenseerde materie gecombineerd met technologische vooruitgang om nieuwe eigenschappen van magnetische ferro-elektrische materialen te ontdekken.

In recent gepubliceerd onderzoek in MRS-vooruitgang, ontdekten de onderzoekers dat een klasse van defecten, topologische defecten genaamd, een platform kan bieden om een ​​breed scala aan nieuwe fenomenen te verkennen. Er is bijvoorbeeld elektronische geleidbaarheid bij kamertemperatuur gerapporteerd bij domeinwanden van isolerende ferro-elektrische materialen.

De uitdaging voor de wetenschappelijke gemeenschap is de niet-destructieve driedimensionale beeldvorming van dergelijke structuren op nanoschaal. Dit werd mogelijk gemaakt dankzij een lensloze röntgenmicroscopietechniek die bekend staat als Bragg Coherent Diffractive Imaging (BCDI). De ontdekking van een lensloze röntgenmicroscopietechniek heeft potentieel verreikende toepassingen in de informatica, medische technologie en natuurkunde.

“Met synchrotronbronnen die in feite worden uitgezonden door deeltjesversnellers, kunnen we röntgenfotonen produceren die 10 miljard keer helderder zijn dan zonlicht”, zei Fohtung. “We focussen en controleren die röntgenstralen nauw voor spectroscopie en beeldvorming en voor het eerst kunnen we kleine excitaties waarnemen op nanoschaal van vastestofmaterialen.”

Met behulp van BCDI merkte het team op dat er aan de grenzen van elastische domeinen, regio’s met verplaatste of vervormde atomen, topologische defecten waren met onverwachte verschijnselen zoals geleidbaarheid en supergeleiding.

“Op nanoschaal zijn kenmerken zoals dislocaties en globale topologische defecten bijna een bouwsteen in de grootschalige toepassingen van deze materialen,” zei Fohtung. “Ze worden vooral gedreven door hun gedrag op nanoschaal. Het is iets dat we verrassend vinden: dingen op kleine schaal domineren wat op grote schaal wordt vastgelegd.”

De ontdekking kan verstrekkende toepassingen hebben.

“Ons onderzoek zou kunnen leiden tot het gebruik van topologische defecten zoals ferro-elektrische wervels als bouwstenen om qubits te vormen voor gebruik in kwantumcomputers”, zei Fohtung. “In regeneratieve geneeskunde en biologie kunnen topologische defecten worden gezien als de bouwstenen die de collectieve celdynamiek beheersen. Het vermogen om dergelijke defecten in hun oorspronkelijke omgeving te visualiseren heeft daarom hoge prioriteit.”

Topologische defecten kunnen zelfs bijdragen aan ons begrip van hoe het vroege heelal na de oerknal is ontstaan.

“We kunnen de oerknal niet in het laboratorium nabootsen, maar wetenschappers kunnen de topologische defecten in de nanostructuren van materialen bestuderen met zeer vergelijkbare symmetrie-verlagende faseovergangen als die van het vroege universum na de oerknal”, zei Fohtung. “We kunnen dus de snelheid bestuderen waarmee het vroege universum comfortabel in ons laboratorium evolueerde. Topologische defecten kunnen veel nieuwe wetenschappelijke inzichten bieden, van de atomaire schaal tot de kosmische schaal.”

Fohtung werd bij het onderzoek bij Rensselaer vergezeld door postdoctoraal onderzoeker Xiaowen Shi en afgestudeerde studenten Nimish Prashant Nazirkar, Zachary Barringer en Skye Williams.

“Het onderzoek van Dr. Fohtung is een goed voorbeeld van de vervaging van de grenzen tussen geavanceerde engineering van materialen en fundamentele fysica, met mogelijke toepassingen op veel opwindende gebieden”, zegt Shekhar Garde, decaan Engineering bij Rensselaer. “Ik ben blij met de interdisciplinaire kansen die ingenieursstudenten en postdoctorale onderzoekers krijgen door hun deelname aan dit onderzoek.”