Les scientifiques ont obtenu des diagrammes de diffraction ultrarapide des électrons (UED) avant et après avoir excité l'échantillon de sulfure de cuivre avec des impulsions laser ((a), images du bas et du haut, respectivement). Les (110) et (120) se réfèrent à des surfaces différentes, ou des avions, de l'échantillon. Les scientifiques ont également obtenu des diagrammes de diffraction électronique de la monoclinique du matériau, ou à faible symétrie, phase et sa phase hexagonale à haute symétrie par microscopie électronique à transmission ((b), images du bas et du haut, respectivement). Les carrés vides représentent les pics de diffraction qui apparaissent dans les deux phases, tandis que les triangles vides représentent des pics qui n'apparaissent que dans la phase de faible symétrie. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Lorsque vous tournez rapidement les pages d'un flipbook, la série d'images statiques semble en mouvement. Les scientifiques ont récemment appliqué un principe similaire pour capturer comment la structure d'un matériau change sur des échelles de temps extrêmement courtes - à peine des billions de seconde ou plus rapidement. Pour enregistrer ce mouvement à l'échelle atomique, ils avaient besoin d'un instrument spécial logé au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE).
"Cet instrument de diffraction d'électrons ultrarapide, qui possède des faisceaux d'électrons d'une énergie d'un million d'électrons-volts, a été conçu et fabriqué en interne, " dit Jing Tao, un physicien du département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux (CMPMS) de Brookhaven Lab et auteur correspondant sur le Lettres de physique appliquée papier rapportant le travail. « Nous avons collaboré avec l'installation de test des accélérateurs du laboratoire pour garantir que la température, humidité, et d'autres conditions environnementales sont restées stables et que l'instrument était correctement aligné."
Les microscopes électroniques d'aujourd'hui peuvent résoudre des atomes isolés, mais généralement seulement à des temps d'exposition de l'ordre de quelques secondes. Cependant, les atomes se déplacent beaucoup plus rapidement que cela.
« Nous examinons la dynamique structurelle qui se produit en quelques centaines de femtosecondes à quelques picosecondes, " a déclaré le premier auteur Junjie Li, un physicien du département CMPMS. "Pour référence, une femtoseconde équivaut à un quadrillionième de seconde."
Dans cette étude, les scientifiques ont sondé la structure des nanocristaux de sulfure de cuivre. Au dessus d'une certaine température, le sulfure de cuivre subit une transition au cours de laquelle sa structure cristalline passe d'une phase de faible symétrie à une phase de haute symétrie. Au cours de cette transition de phase, ses ions de cuivre deviennent très mobiles, ce qui en fait un matériau prometteur pour les dispositifs électrochimiques et thermoélectriques de nouvelle génération, comme les batteries et les interrupteurs électriques.
Un matériau peut emprunter plusieurs chemins lors de la transformation d'une phase à une autre. Ce schéma montre une transition de phase structurelle pour un assemblage unidimensionnel d'atomes dans lequel la symétrie du cristal se brise et le réseau se dilate. Juste avant l'arrivée de l'impulsion laser (phase 1), il existe deux types d'atomes (cercles verts et bruns) qui sont inégalement espacés. L'impulsion entraîne le matériau de la phase 1 à 2, dans lequel les types d'atomes sont les mêmes mais la symétrie et l'espacement du réseau sont différents. L'oranger, magenta, et les flèches bleues indiquent les voies de transition possibles dans le domaine temporel ultrarapide. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"Toutes les propriétés des matériaux ont une origine structurelle, " a déclaré Tao. " Identifier et comprendre le mécanisme qui commande la structure d'un matériau est essentiel pour améliorer ses performances pour les applications du monde réel. "
Les propriétés optimales des matériaux émergent souvent lors de transitions de phase impliquant des changements simultanés de la symétrie cristalline, structure électronique, et susceptibilité magnétique, ce qui rend difficile la détermination de la force principale à l'origine de la transition. Des expériences antérieures menées par d'autres groupes ont démontré que la transition de phase structurelle dans le sulfure de cuivre était causée par une diffusion d'ions cuivre. Puis, l'équipe de Brookhaven a découvert que l'augmentation ou la diminution continue du nombre d'électrons pompés dans le matériau au fil du temps faisait osciller sa structure cristalline entre les phases de symétrie faible et élevée à température ambiante.
« Nous avons été surpris de constater qu'un changement minime du débit de dose d'électrons entraîne un énorme mouvement collectif des ions de cuivre, car il a montré que la transition de phase structurelle est en quelque sorte liée à la manipulation électronique, " dit Tao. " Nous savions qu'il devait y avoir une relation intrinsèque, mais n'avait aucune preuve. La résolution temporelle femtoseconde fournie par notre instrument nous a permis de voir comment le mouvement des ions de cuivre est corrélé avec les changements de structure électronique."
Pour amorcer la transition structurelle, les scientifiques ont "pompé" le matériau avec des impulsions laser, l'amenant dans son état d'énergie excitée. Après des temporisations bien maîtrisées, ils ont ensuite envoyé des impulsions d'électrons à travers l'échantillon et enregistré la manière dont les électrons ont été dispersés. Les diagrammes de diffraction des électrons résultants ont révélé la structure cristalline du matériau aux moments exacts où le faisceau d'électrons a interagi avec lui. En combinant ces « instantanés » structurels pris à divers délais entre les impulsions laser et électronique, ils ont produit un film capturant la façon dont la structure évolue du début à la fin de la transition de phase.
En analysant les signatures de diffraction électronique, Li a été choqué de découvrir que la transition de phase structurelle impliquait deux processus distincts qui se sont déroulés à des échelles de temps très différentes.
"J'ai trouvé que la symétrie du cristal, ou comment les ions s'arrangent, pauses en deux picosecondes, et le volume du réseau cristallin augmente de 10 à 20 picosecondes, " dit Li. " Jusqu'à maintenant, les scientifiques avaient pensé que la symétrie et le volume changeaient en même temps. En raison d'une résolution temporelle insuffisante, ils n'ont pu prendre qu'un instantané au début de la transition et un autre à la fin et n'ont donc pas capturé ce qui se passait entre les deux."
Il s'avère que l'échelle de temps du changement de symétrie cristalline coïncide avec celle d'un autre processus :relaxation des porteurs électroniques, ou le mouvement des électrons d'un état d'énergie excité (induit par l'excitation laser) à l'état fondamental. Compte tenu de cette coïncidence, l'équipe de Brookhaven pense que les interactions entre les électrons et les atomes vibrant dans le réseau (phonons) pourraient être à l'origine de la transition de symétrie cristalline.
"Le fait que les deux processus se produisent à deux picosecondes suggère fortement que le couplage électron-phonon régit la transition, " a déclaré Li. " Les scientifiques pensent que le couplage électron-phonon joue un rôle très important dans de nombreux matériaux fortement corrélés et quantiques avec des propriétés émergentes, par exemple, supraconducteurs, qui peut transporter l'électricité sans résistance, et multiferroïques, qui présentent des polarisations magnétiques et électriques spontanées. Mais ce mécanisme n'est pas encore entièrement compris, même après des décennies de recherche."
Maintenant que les scientifiques disposent de l'équipement approprié pour capturer la dynamique structurelle ultrarapide, ils espèrent trouver l'origine des transitions de phase dans d'autres matériaux.
"La communauté scientifique a pris pour acquis que la rupture de la symétrie cristalline et l'expansion du réseau se produisent ensemble, " a déclaré Tao. " La capacité de séparer ces processus est une percée qui nous aidera à comprendre les relations structure-propriété dans une large gamme de matériaux. "
