Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie ont observé des cristaux semi-conducteurs à l'échelle nanométrique se dilater et se rétrécir en réponse à de puissantes impulsions de lumière laser. Cette "respiration" ultrarapide fournit de nouvelles informations sur la façon dont ces structures minuscules changent de forme lorsqu'elles commencent à fondre - des informations qui peuvent aider les chercheurs à adapter leur utilisation à une gamme d'applications.

Dans l'expérience utilisant le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, une installation utilisateur du DOE Office of Science, les chercheurs ont d'abord exposé les nanocristaux à une explosion de lumière laser, suivi de près par une impulsion de rayons X ultra-brillante qui a enregistré les changements structurels résultants dans les détails à l'échelle atomique au début de la fusion.

"C'est la première fois que nous pouvons mesurer les détails de la réaction de ces matériaux ultrapetits lorsqu'ils sont poussés à leurs limites, " a déclaré Aaron Lindenberg, un professeur assistant au SLAC et à Stanford qui a dirigé l'expérience. Les résultats ont été publiés le 12 mars dans Communication Nature .

Apprendre à connaître les points quantiques

Les cristaux étudiés au SLAC sont connus sous le nom de « points quantiques » car ils présentent des caractéristiques uniques à l'échelle nanométrique qui défient la physique classique régissant leurs propriétés à plus grande échelle. Les cristaux peuvent être réglés en changeant leur taille et leur forme pour émettre des couleurs de lumière spécifiques, par exemple.

Les scientifiques ont donc travaillé pour les incorporer dans des panneaux solaires pour les rendre plus efficaces et dans des écrans d'ordinateur pour améliorer la résolution tout en consommant moins d'énergie de la batterie. Ces matériaux ont également été étudiés pour une utilisation potentielle dans les batteries et les piles à combustible et pour l'administration ciblée de médicaments.

Les scientifiques ont également découvert que ces nanomatériaux et d'autres, qui peut ne contenir que des dizaines ou des centaines d'atomes, peuvent être beaucoup plus résistants aux dommages que des morceaux plus gros des mêmes matériaux, car ils présentent une structure cristalline plus parfaite aux plus petites échelles. Cette propriété pourrait s'avérer utile dans les composants de batterie, par exemple, car les particules plus petites peuvent être capables de supporter plus de cycles de charge que les plus grosses avant de se dégrader.

Une surprise dans la « respiration » des petites sphères et des nanofils

Dans l'expérience LCLS, les chercheurs ont étudié des sphères et des nanofils en sulfure de cadmium et en séléniure de cadmium mesurant à peine 3 à 5 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, de l'autre côté. Les nanofils mesuraient jusqu'à 25 nanomètres de long. Par comparaison, les acides aminés – les éléments constitutifs des protéines – mesurent environ 1 nanomètre de long, et les atomes individuels sont mesurés en dixièmes de nanomètres.

En examinant les nanocristaux sous de nombreux angles différents avec des impulsions de rayons X, les chercheurs ont reconstitué la façon dont ils changent de forme lorsqu'ils sont frappés par une impulsion laser optique. Ils ont été surpris de voir les sphères et les nanofils augmenter en largeur d'environ 1%, puis se contracter rapidement en quelques femtosecondes. ou des quadrillions de seconde. Ils ont également constaté que les nanofils ne se dilatent pas en longueur, et a montré que la façon dont les cristaux réagissent à la contrainte était couplée à la façon dont leur structure fond.

Dans un précédent, étude séparée, une autre équipe de chercheurs avait utilisé le LCLS pour explorer la réponse de particules d'or plus grosses sur des échelles de temps plus longues.

"À l'avenir, nous voulons étendre ces expériences à des nanostructures plus complexes et technologiquement pertinentes, et aussi pour permettre l'exploration aux rayons X des dispositifs nanométriques pendant leur fonctionnement, " a déclaré Lindenberg. " Savoir comment les matériaux changent sous contrainte peut être utilisé avec des simulations pour concevoir de nouveaux matériaux avec de nouvelles propriétés. "