Учёные создали «камеру» с выдержкой в 1 пикосекунду и запечатлели атомы в движении

Группа учёных из США создала «камеру», скорость затвора которой в один триллион раз быстрее затвора обычных камер в смартфонах, а переменная выдержка позволяет фиксировать атомы как в динамике, так и в статике. Устройство помогло сделать открытие в области термоэлектрических материалов, которые преобразуют избыточное или «мусорное» тепло в электрический ток. Сделанные «камерой» изображения показывают танец групп атомов, которые отвечают за такой процесс.

Обработанное изображение атомов с длительной выдержкой (слева) и с короткой (справа). Источник изображения: Jill Hemman/ORNL

Поясним, твёрдые тела могут содержать группы атомов (подрешётки), находящиеся в движении даже в твёрдом кристаллическом состоянии. Такие состояния называются квазижидкими. Остальные подрешётки каркаса остаются в неподвижном упорядоченном состоянии, обеспечивая материалу присущую ему механическую прочность и твёрдость. Подобные материалы имеют перспективу в сфере преобразования тепла в электричество. К примеру, электричество можно будет получать из выхлопных труб двигателей, из выбросов тепла на АЭС и других электростанциях и много где ещё.

Разработанная американскими учёными камера позволяет делать снимки таких коллективных движений атомов, что даёт возможность улучшать и совершенствовать термоэлектрические материалы. Учёные начинают продвигаться в исследовании не вслепую, а осознанно, наблюдая картину происходящего в реальном масштабе времени. С чуть более длинной выдержкой картинка получается несколько размытой, обеспечивая взгляд на атомы в динамике — в «танце», тогда как кратчайшая выдержка длительность в одну пикосекунду даёт изображение чёткой атомной структуры.

Таким способом учёные из Колумбийского Университета, Университета Бургундии с привлечением специалистов Ок-Риджской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории смогли обнаружить нарушение атомных симметрий в теллуриде германия (GeTe), одном из важных материалов для термоэлектричества, который преобразует отработанное тепло в электричество (наоборот способен охлаждаться под воздействием электричества). Ранее им не удавалось увидеть смещения, показать динамические колебания и скорость их изменения. В результате команда разработала новую теорию, которая показывает, как такие локальные флуктуации могут формироваться в GeTe и родственных материалах.

Что касается непосредственно «камеры», то это установка на базе источника нейтронов из ORNL. Называется она variable shutter PDF или vsPDF. Об исследовании было рассказано в журнале Nature Materials.