La configuración experimental para una técnica recientemente desarrollada:dispersión ultrarrápida de rayos X de superficie. Esta técnica combina una bomba óptica con una sonda láser de rayos X de electrones libres para investigar la dinámica molecular en la escala de tiempo de femtosegundos. Crédito:Haidan Wen
El descubrimiento permite a los científicos observar cómo se mueven los materiales 2-D con precisión ultrarrápida.
Usando una técnica nunca antes vista, Los científicos han encontrado una nueva forma de utilizar algunos de los rayos X más potentes del mundo para descubrir cómo se mueven los átomos en una sola hoja atómica a velocidades ultrarrápidas.
El estudio, dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y en colaboración con otras instituciones, incluyendo la Universidad de Washington y el SLAC National Accelerator Laboratory del DOE, desarrolló una nueva técnica llamada dispersión ultrarrápida de rayos X de superficie. Esta técnica reveló la estructura cambiante de un cristal bidimensional atómicamente delgado después de ser excitado con un pulso de láser óptico.
"Extender [la dispersión de rayos X de la superficie] para hacer ciencia ultrarrápida en materiales de una sola capa representa un avance tecnológico importante que puede mostrarnos mucho sobre cómo se comportan los átomos en las superficies y en las interfaces entre los materiales, ", dijo el científico de Argonne, Haidan Wen.
A diferencia de las técnicas anteriores de dispersión de rayos X de superficie, este nuevo método va más allá de proporcionar una imagen estática de los átomos en la superficie de un material para capturar los movimientos de los átomos en escalas de tiempo tan cortas como una billonésima de segundo después de la excitación láser.
La dispersión de rayos X de superficie estática y cierta dispersión de rayos X de superficie dependiente del tiempo se pueden realizar en una fuente de rayos X de sincrotrón, pero para hacer una dispersión de rayos X de superficie ultrarrápida, los investigadores necesitaban usar el láser de electrones libres de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) en SLAC. Esta fuente de luz proporciona rayos X muy brillantes con exposiciones extremadamente cortas de 50 femtosegundos. Al entregar grandes cantidades de fotones a la muestra rápidamente, los investigadores pudieron generar una señal de dispersión de resolución temporal suficientemente fuerte, visualizando así el movimiento de los átomos en materiales 2-D.
"La dispersión de rayos X en la superficie es lo suficientemente desafiante por sí sola, "dijo el físico de rayos X de Argonne Hua Zhou, un autor del estudio. "Extenderlo para hacer ciencia ultrarrápida en materiales de una sola capa representa un gran avance tecnológico que puede mostrarnos mucho sobre cómo se comportan los átomos en las superficies y en las interfaces entre los materiales".
En materiales bidimensionales, los átomos suelen vibrar ligeramente a lo largo de las tres dimensiones en condiciones estáticas. Sin embargo, en escalas de tiempo ultrarrápidas, emerge una imagen diferente del comportamiento atómico, dijo el físico y autor del estudio de Argonne, Haidan Wen.
Usando dispersión ultrarrápida de rayos X de superficie, Wen y el investigador postdoctoral I-Cheng Tung dirigieron una investigación de un material bidimensional llamado diselenuro de tungsteno (WSe 2 ). En este material, cada átomo de tungsteno se conecta a dos átomos de selenio en forma de "V". Cuando el material de una sola capa se golpea con un pulso de láser óptico, la energía del láser hace que los átomos se muevan dentro del plano del material, creando un efecto contrario a la intuición.
"Normalmente se esperaría que los átomos salieran del avión, ya que ahí es donde está el espacio disponible, ", Dijo Wen." Pero aquí los vemos vibrar principalmente dentro del plano justo después de la excitación ".
Una estación experimental en el láser de electrones libres de rayos X de fuente de luz coherente Linac de SLAC, donde los científicos utilizaron una nueva herramienta que desarrollaron para observar los átomos moverse dentro de una sola hoja atómica. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Estas observaciones fueron respaldadas por cálculos de primer principio dirigidos por Aiichiro Nakano de la Universidad del Sur de California y el científico Pierre Darancet del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM). una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
El equipo obtuvo medidas preliminares de dispersión de rayos X de superficie en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) de Argonne, también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Estas medidas, aunque no se tomaron a velocidades ultrarrápidas, permitió a los investigadores calibrar su enfoque para el láser de electrones libres LCLS, Dijo Wen.
La dirección de los cambios atómicos y las formas en que cambia la red tienen efectos importantes sobre las propiedades de materiales bidimensionales como WSe. 2 , según el profesor Xiaodong Xu de la Universidad de Washington. "Debido a que estos materiales 2-D tienen ricas propiedades físicas, los científicos están interesados en usarlos para explorar fenómenos fundamentales, así como aplicaciones potenciales en electrónica y fotónica, ", dijo." Visualizar el movimiento de los átomos en cristales de un solo átomo es un verdadero avance y nos permitirá comprender y adaptar las propiedades de los materiales para tecnologías relevantes para la energía ".
"Este estudio nos brinda una nueva forma de sondear las distorsiones estructurales en materiales 2-D a medida que evolucionan, y comprender cómo se relacionan con las propiedades únicas de estos materiales que esperamos aprovechar para los dispositivos electrónicos que utilizan, emitir o controlar la luz, "añadió Aaron Lindenberg, profesor en SLAC y la Universidad de Stanford y colaborador del estudio. "Estos enfoques también son aplicables a una amplia clase de otros fenómenos interesantes y poco entendidos que ocurren en las interfaces entre los materiales".
Un artículo basado en el estudio, "Dinámica estructural anisotrópica de cristales monocapa revelada por la dispersión de rayos X de superficie de femtosegundos, "apareció en la edición en línea del 11 de marzo de Fotónica de la naturaleza .
Otros autores del estudio incluyeron investigadores de la Universidad de Washington, Universidad del Sur de California, Universidad Stanford, SLAC y Universidad de Kumamoto (Japón). El APS, CNM, y LCLS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
