Un groupe de chercheurs dirigé par Cornell au Center for Bright Beams a développé une nouvelle approche théorique pour calculer la façon dont les atomes se dispersent depuis les surfaces. La méthode, développée par le docteur en physique Cornell récemment conféré. Michelle Kelley et ses collaborateurs et publié dans Physical Review Letters , est la première méthode permettant de calculer explicitement les interactions entre un atome diffusant et une surface directement à partir des premiers principes.
Pour comprendre la surface d'un matériau, vous pouvez utiliser un faisceau d'électrons ou de rayons X pour sonder la surface, mais cela endommagerait le matériau. Depuis des années, les chercheurs sondent les surfaces des matériaux cristallins en utilisant la diffusion de faisceaux de molécules hors de la surface. L’hélium est particulièrement bien adapté à cette tâche car il est capable de fournir une résolution à l’échelle atomique à basse énergie. Cependant, les modèles que les chercheurs ont utilisés pour comprendre ainsi les propriétés des matériaux sont erronés.
Lorsque l'hélium se disperse sur une surface, il disperse la densité d'électrons libres du matériau plutôt que de pénétrer dans la surface du matériau, ne laissant aucun dommage tout en excitant des vibrations utiles dans la surface. Cela rend les faisceaux d'hélium potentiellement très utiles pour comprendre les caractéristiques de surface des matériaux au niveau moléculaire.
"Contrairement à la diffusion d'électrons ou de rayons X, les faisceaux atomiques et moléculaires sont des sondes de surface non destructives qui permettent d'étudier des échantillons de plus en plus sensibles et délicats, repoussant les limites scientifiques des types de surfaces pouvant être examinées", a déclaré Kelley.
Cependant, pour que la diffusion atomique soit utile, des prédictions théoriques précises des signatures de diffusion sont essentielles. Jusqu’à présent, ces modèles prédictifs ont été trop simplistes ou trompeurs. Kelley et son groupe ont proposé une nouvelle méthode de prédiction de la diffusion qui fournit une approche totalement ab initio, ou dès le départ, pour guider la diffusion non destructive du faisceau atomique telle que la diffusion des atomes d'hélium.
"Nous pouvons maintenant, pour la première fois, calculer théoriquement, sans aucune contribution ou hypothèse extérieure, comment les atomes d'hélium déposent de l'énergie dans un matériau lorsqu'ils rebondissent sur sa surface", a déclaré Tomás Arias, professeur de physique au Collège des Arts et des Sciences. Sciences (A&S), qui a dirigé et supervisé la recherche.
Le groupe de Kelley a utilisé les interactions de surface d'un faisceau d'hélium avec une surface de niobium pour capturer la manière dont la diffusion atomique et l'excitation des phonons interagissaient. Cela leur a permis de créer cette nouvelle théorie prédictive qui changera la façon dont les chercheurs modélisent la structure de la surface. Bien que la théorie ait été développée à l'aide d'un faisceau d'hélium et de niobium, elle peut être généralement appliquée à d'autres combinaisons atome-surface.
"Notre nouvelle approche théorique produit des résultats d'une grande précision car elle évite complètement les modèles peu fiables et le réglage associé des paramètres qui étaient requis dans les approches semi-empiriques précédentes", a déclaré Kelley. "Améliorer la précision des prédictions théoriques de ce type aidera à guider et à interpréter les expériences de nouvelle génération qui utilisent la diffusion du faisceau atomique comme sonde non destructive des propriétés de surface sensibles."
"Ce résultat contribuera à améliorer notre compréhension de la façon dont les électrons et les atomes dans un matériau interagissent", a déclaré Arias, "en mettant en lumière des phénomènes importants, notamment la supraconductivité, en guidant de telles expériences et en améliorant leur interprétation."
Plus d'informations : Michelle M. Kelley et al, Approche entièrement ab initio de la diffusion inélastique atome-surface, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.016203
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique
Fourni par l'Université Cornell
