Le professeur Roopali Kukreja de l'Université de Californie à Davis et l'équipe CSX Wen Hu, Claudio Mazzoli, et Andi Barbour préparent la ligne de lumière pour la prochaine série d'expériences. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
En utilisant une technique aux rayons X disponible à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), les scientifiques ont découvert que la transition métal-isolant dans la magnétite matérielle corrélée est un processus en deux étapes. Les chercheurs de l'Université de Californie Davis ont publié leur article dans la revue Lettres d'examen physique . NSLS-II, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) située au Laboratoire national de Brookhaven, a des caractéristiques uniques qui permettent à la technique d'être appliquée avec stabilité et contrôle sur de longues périodes de temps.
"Les matériaux corrélés ont une électronique intéressante, magnétique, et propriétés structurelles, et nous essayons de comprendre comment ces propriétés changent lorsque leur température est modifiée ou sous l'application d'impulsions lumineuses, ou un champ électrique", a déclaré Roopali Kukreja, un professeur de l'UC Davis et l'auteur principal de l'article. Une de ces propriétés est la conductivité électrique, qui détermine si un matériau est métallique ou isolant.
Si un matériau est un bon conducteur d'électricité, il est généralement métallique, et si ce n'est pas le cas, il est alors appelé isolant. Dans le cas de la magnétite, la température peut changer si le matériau est un conducteur ou un isolant. Pour l'étude publiée, l'objectif des chercheurs était de voir comment la magnétite passait d'isolant à métallique au niveau atomique à mesure qu'elle devenait plus chaude.
Dans n'importe quel matériau, il y a un arrangement spécifique d'électrons au sein de chacun de ses milliards d'atomes. Cet ordre des électrons est important car il dicte les propriétés d'un matériau, par exemple sa conductivité. Pour comprendre la transition métal-isolant de la magnétite, les chercheurs avaient besoin d'un moyen de voir comment la disposition des électrons dans le matériau changeait avec l'altération de la température.
"Cet arrangement électronique est lié à la raison pour laquelle nous pensons que la magnétite devient un isolant, " a déclaré Kukreja. Cependant, L'étude de cet arrangement et de son évolution dans différentes conditions a nécessité que les scientifiques soient capables d'observer la magnétite à une très petite échelle.
La technique, connue sous le nom de spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X (XPCS), disponible sur la ligne de faisceau de diffusion cohérente des rayons X doux (CSX) de NSLS-II, a permis aux chercheurs d'observer l'évolution du matériau à l'échelle nanométrique, de l'ordre du milliardième de mètre.
Roopali Kukreja (G), l'auteur principal de l'article avec Andi Barbour (R), Scientifique ligne de lumière CSX, travailler en étroite collaboration lors de la mise en place de la prochaine série de mesures. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
« CSX est conçu pour la diffusion cohérente des rayons X mous. Cela signifie que la ligne de faisceau exploite notre ultraluminosité, source stable et cohérente de rayons X pour analyser l'évolution de l'arrangement des électrons dans le temps, " a expliqué Andi Barbour, un scientifique du CSX qui est co-auteur de l'article. "L'excellente stabilité permet aux chercheurs d'étudier de minuscules variations au fil des heures afin que le comportement intrinsèque des électrons dans les matériaux puisse être révélé."
Cependant, ce n'est pas directement visible, donc XPCS utilise une astuce pour révéler l'information.
"La technique XPCS est une méthode de diffusion cohérente capable de sonder la dynamique dans un système de matière condensée. Un motif de speckle est généré lorsqu'un faisceau de rayons X cohérent est diffusé à partir d'un échantillon, comme empreinte de son inhomogénéité dans l'espace réel, " dit Wen Hu, scientifique au CSX et co-auteur de l'article.
Les scientifiques peuvent alors appliquer différentes conditions à leur matériau et si le motif de moucheture change, cela signifie que l'ordre des électrons dans l'échantillon change. "Essentiellement, XPCS mesure combien de temps il faut pour que l'intensité d'un speckle devienne très différente de l'intensité moyenne, que l'on appelle décorrélation, " a déclaré Claudio Mazzoli, le scientifique principal de la ligne de lumière CSX. « Considérant plusieurs taches à la fois, le temps de décorrélation d'ensemble est la signature de l'échelle de temps dynamique pour une condition d'échantillon donnée."
La technique a révélé que la transition métal-isolant n'est pas un processus en une étape, comme on le pensait auparavant, mais se passe en fait en deux étapes.
"Ce à quoi nous nous attendions, c'est que les choses aillent de plus en plus vite pendant l'échauffement. Ce que nous avons vu, c'est que les choses vont de plus en plus vite, puis elles ralentissent. La phase rapide est donc une étape et la deuxième étape est le ralentissement, et cela doit se produire avant que le matériau ne devienne métallique, " a déclaré Kukreja. Les scientifiques soupçonnent que le ralentissement se produit parce que, pendant le changement de phase, les propriétés métalliques et isolantes existent en fait en même temps dans le matériau.
"Cette étude montre que ces échelles de longueur nanométriques sont vraiment importantes pour ces matériaux, " a déclaré Kukreja. "Nous ne pouvons accéder à ces informations et à ces paramètres expérimentaux nulle part ailleurs qu'à la ligne de lumière CSX de NSLS-II."
