Un schéma de la configuration expérimentale de l'instantané aux rayons X. Crédit :Haidan Wen/Laboratoire national d'Argonne
Quiconque a vu de la vapeur s'échapper d'une bouilloire en ébullition ou vu des cristaux de glace se former sur une fenêtre humide en hiver a observé ce que les scientifiques appellent une transition de phase.
Les transitions de phase, telles que celles entre les solides, les liquides et les gaz, se produisent dans toutes sortes de substances différentes, et elles peuvent se produire rapidement ou lentement. Les scientifiques prévoient d'utiliser les transitions de phase pour pouvoir contrôler les propriétés électroniques, structurelles ou magnétiques de différents matériaux lorsqu'ils subissent ces changements, par exemple pour une utilisation dans de nouveaux types de mémoires informatiques.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont pour la première fois pu examiner une transition de phase structurelle dans les moindres détails sur une échelle de temps très rapide. Les scientifiques ont réalisé des "photographies" aux rayons X espacées de moins d'un dixième de milliardième de seconde grâce à une technique appelée microscopie à nanodiffraction. "Une vidéo typique peut être lue à 30 images par seconde, il s'agit donc approximativement d'une vidéo au ralenti qui peut résoudre des dynamiques extrêmement rapides", a déclaré Haidan Wen, physicien au Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE).
La capacité d'assister à l'évolution du comportement des matériaux avec une telle précision dans le temps et dans l'espace a révélé des comportements inhabituels dans certains matériaux qui subissent un changement de phase, y compris de nombreux matériaux magnétiques.
"Nous sommes capables de zoomer sur un échantillon en termes de temps et d'espace comme jamais auparavant", a déclaré Youngjun Ahn, le premier auteur de l'étude. Ahn est un ancien stagiaire diplômé à Argonne de l'Université du Wisconsin-Madison. Pour ce travail, il a collaboré étroitement avec Wen. "Cette méthode nous donne une vue précise des changements structurels de notre échantillon qui sont difficiles à voir avec toute autre méthode", a déclaré Ahn.
L'étude a utilisé la nanosonde à rayons X durs exploitée par le Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) à l'Advanced Photon Source (APS) à Argonne. L'APS et le CNM sont des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.
Cartes de nanodiffraction des rayons X de la transition de phase ferromagnétique. Crédit :Haidan Wen/Laboratoire national d'Argonne
En examinant les transitions de phase dans un composé fer-rhodium, les chercheurs ont trouvé un moyen d'observer la structure du composé changer entre deux configurations magnétiques. Le changement provoque une expansion du réseau atomique qui est très faible, mais suffisante pour avoir des conséquences importantes sur le magnétisme.
Les scientifiques peuvent utiliser les phases magnétiques pour créer un nouveau type de stockage magnétique qui promet d'être plus rapide et plus économe en énergie que le stockage de données conventionnel. Dans tous les matériaux magnétiques, la manipulation des transitions de phase autour de la température critique à laquelle elles se produisent peut fournir la clé pour pouvoir basculer un bit de stockage d'informations entre un "1" et un "0".
Afin de façonner des mémoires magnétiques compactes, les scientifiques doivent avoir un moyen de les manipuler avec précision. Une façon d'y parvenir consiste à modifier localement la température.
En chauffant un bit magnétique, les scientifiques pourraient potentiellement avoir un moyen d'induire la reconfiguration qu'ils utilisent pour coder les informations avec moins de consommation d'énergie, connue sous le nom d'enregistrement magnétique assisté par la chaleur. "L'une des choses très intéressantes à propos de ce matériau particulier - le fer-rhodium - est qu'il a une transition de phase à une température qui pourrait être utilisée pour ce type d'applications", a déclaré Paul Evans, professeur à l'Université du Wisconsin-Madison. "Mais pour faire les types de manipulations qui nous intéressent, nous avons besoin d'une meilleure 'caméra'. C'est pourquoi il est important d'utiliser cette technique nouvellement développée pour l'étudier."
"L'aspect clé de notre expérience est que nous sommes en mesure d'accéder aux régions extrêmement petites de l'espace ou à des moments rapides dans le temps avec une grande précision qui nous permet de découvrir une dynamique à l'échelle nanométrique qui n'a pas été reconnue auparavant", a ajouté Wen, qui a conçu le travail. .
La prochaine mise à niveau de l'APS aura des implications importantes pour les expériences futures de visualisation de ces types de transitions de phase. "Après la mise à niveau de l'APS", a déclaré Martin Holt, scientifique en rayons X d'Argonne, "nous prévoyons d'atteindre une résolution spatiale plus élevée, en particulier en exploitant la cohérence améliorée du faisceau de rayons X. Notre développement de la résolution temporelle ultrarapide dans ce type de La microscopie à rayons X est ce qui nous aide à comprendre les causes des types d'effets que nous observons. C'est une capacité unique que l'APS amélioré peut offrir.
Un article basé sur l'étude, "L'imagerie par nanodiffraction des rayons X révèle une dynamique nanoscopique distincte d'une transition de phase ultrarapide", est paru dans Proceedings of the National Academy of Sciences . Nouvelle fourrure pour le chat quantique :Enchevêtrement de nombreux atomes découvert pour la première fois
