Le montage expérimental d'une nouvelle technique :la diffusion ultrarapide des rayons X en surface. Cette technique couple une pompe optique avec une sonde laser à électrons libres à rayons X pour étudier la dynamique moléculaire à l'échelle de temps femtoseconde. Crédit :Haidan Wen
Discovery permet aux scientifiques d'observer comment les matériaux 2D se déplacent avec une précision ultrarapide.
Grâce à une technique inédite, les scientifiques ont trouvé une nouvelle façon d'utiliser certains des rayons X les plus puissants au monde pour découvrir comment les atomes se déplacent dans une seule feuille atomique à des vitesses ultrarapides.
L'étude, dirigé par des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et en collaboration avec d'autres institutions, y compris l'Université de Washington et le SLAC National Accelerator Laboratory du DOE, développé une nouvelle technique appelée diffusion ultrarapide des rayons X de surface. Cette technique a révélé la structure changeante d'un cristal bidimensionnel atomiquement mince après qu'il ait été excité avec une impulsion laser optique.
"L'extension [de la diffusion des rayons X de surface] pour faire de la science ultrarapide dans des matériaux monocouches représente une avancée technologique majeure qui peut nous montrer beaucoup de choses sur le comportement des atomes aux surfaces et aux interfaces entre les matériaux, " a déclaré le scientifique d'Argonne Haidan Wen.
Contrairement aux précédentes techniques de diffusion des rayons X de surface, cette nouvelle méthode va au-delà de la fourniture d'une image statique des atomes à la surface d'un matériau pour capturer les mouvements des atomes sur des échelles de temps aussi courtes que des billions de seconde après l'excitation laser.
La diffusion statique des rayons X de surface et une certaine diffusion des rayons X de surface en fonction du temps peuvent être effectuées sur une source de rayons X synchrotron, mais pour effectuer une diffusion ultrarapide des rayons X en surface, les chercheurs devaient utiliser le laser à rayons X à électrons libres Linac Coherent Light Source (LCLS) au SLAC. Cette source lumineuse fournit des rayons X très lumineux avec des expositions extrêmement courtes de 50 femtosecondes. En délivrant rapidement de grandes quantités de photons à l'échantillon, les chercheurs ont pu générer un signal de diffusion résolu en temps suffisamment fort, visualisant ainsi le mouvement des atomes dans les matériaux 2D.
« La diffusion des rayons X en surface est déjà assez difficile en elle-même, " a déclaré Hua Zhou, physicien aux rayons X d'Argonne, un auteur de l'étude. "L'étendre pour faire de la science ultrarapide dans des matériaux monocouches représente une avancée technologique majeure qui peut nous montrer beaucoup de choses sur le comportement des atomes aux surfaces et aux interfaces entre les matériaux."
Dans des matériaux bidimensionnels, les atomes vibrent généralement légèrement le long des trois dimensions dans des conditions statiques. Cependant, sur des échelles de temps ultrarapides, une image différente du comportement atomique émerge, a déclaré le physicien d'Argonne et auteur de l'étude Haidan Wen.
Grâce à la diffusion ultrarapide des rayons X de surface, Wen et le chercheur postdoctoral I-Cheng Tung ont mené une enquête sur un matériau bidimensionnel appelé diséléniure de tungstène (WSe
"Vous vous attendriez normalement à ce que les atomes sortent de l'avion, puisque c'est là que se trouve l'espace disponible, " dit Wen. « Mais ici, nous les voyons vibrer principalement dans l'avion juste après l'excitation. »
Une station expérimentale du laser à électrons libres à rayons X Linac Coherent Light Source du SLAC, où les scientifiques ont utilisé un nouvel outil qu'ils ont développé pour observer les atomes se déplacer dans une seule feuille atomique. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Ces observations ont été étayées par des calculs de premier principe dirigés par Aiichiro Nakano de l'Université de Californie du Sud et le scientifique Pierre Darancet du Center for Nanoscale Materials (CNM) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
L'équipe a obtenu des mesures préliminaires de diffusion des rayons X de surface à la source de photons avancée (APS) d'Argonne, également une installation utilisateur du DOE Office of Science. Ces mesures, bien qu'elles n'aient pas été prises à des vitesses ultrarapides, ont permis aux chercheurs de calibrer leur approche pour le laser à électrons libres LCLS, dit Wen.
La direction des déplacements atomiques et la manière dont le réseau change ont des effets importants sur les propriétés des matériaux bidimensionnels comme le WSe
"Cette étude nous donne une nouvelle façon de sonder les distorsions structurelles dans les matériaux 2D au fur et à mesure de leur évolution, et de comprendre comment ils sont liés aux propriétés uniques de ces matériaux que nous espérons exploiter pour les appareils électroniques qui utilisent, émettre ou contrôler la lumière, " a ajouté Aaron Lindenberg, professeur au SLAC et à l'Université de Stanford et collaborateur de l'étude. "Ces approches sont également applicables à une large classe d'autres phénomènes intéressants et mal compris qui se produisent aux interfaces entre les matériaux."
Un article basé sur l'étude, "La dynamique structurelle anisotrope des cristaux monocouches révélée par la diffusion femtoseconde des rayons X de surface, " est paru dans l'édition en ligne du 11 mars de Photonique de la nature .
Les autres auteurs de l'étude comprenaient des chercheurs de l'Université de Washington, Université de Californie du Sud, Université de Stanford, SLAC et Université de Kumamoto (Japon). L'APS, CNM, et LCLS sont des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.
