„Oude“ materialen informeren het verleden en de toekomst van het heelal

Edwin Fohtung, Associate Professor of Materials Science and Engineering aan het Rensselaer Polytechnic Institute, leidt een team van onderzoekers dat expertise in wiskunde en fysica van gecondenseerde materie heeft gecombineerd met geavanceerde wetenschappelijke technologie om opmerkelijke eigenschappen van magnetische ferro-elektrische materialen te ontdekken.

Afbeelding tegoed: Rensselaer Polytechnisch Instituut

In een nieuwe studie gepubliceerd door Springer Nature in MRS-vooruitgangontdekten de onderzoekers dat een klasse van defecten die bekend staat als topologische defecten een platform zou kunnen bieden om verschillende onverwachte verschijnselen te onderzoeken.

Er is bijvoorbeeld elektronische geleidbaarheid bij kamertemperatuur gerapporteerd bij domeinwanden van isolerende ferro-elektrische materialen. De wetenschappelijke gemeenschap staat voor de uitdaging van de niet-destructieve driedimensionale beeldvorming van dergelijke structuren op nanoschaal.

Dit werd bereikt met behulp van een lensloze röntgenmicroscopiemethode genaamd Bragg Coherent Diffractive Imaging (BCDI). De ontdekking van een lensvrije röntgenmicroscopietechniek heeft het potentieel om significante effecten te hebben op fysica, informatica en medische technologieën.

Met synchrotronbronnen die in feite worden uitgezonden door deeltjesversnellers, kunnen we röntgenfotonen produceren die 10 miljard keer helderder zijn dan zonlicht. We focussen en controleren die röntgenstralen nauwkeurig voor spectroscopie en beeldvorming en voor het eerst kunnen we kleine excitaties waarnemen op nanoschaal van solid-state materialen.

Edwin Fohtung, universitair hoofddocent, materiaalkunde en engineering, Rensselaer Polytechnic Institute

Het team gebruikte BCDI om topologische defecten met onverwachte eigenschappen, zoals geleidbaarheid en supergeleiding, te vinden aan de grenzen van elastische domeinen of gebieden met verplaatste of vervormde atomen.

Fohtung voegde toe: “Op nanoschaal zijn kenmerken zoals dislocaties en globale topologische defecten bijna een bouwsteen in de grootschalige toepassingen van deze materialen. Ze worden meestal gedreven door hun gedrag op nanoschaal. Het is iets dat we verrassend vinden: dingen op kleine schaal domineren wat op grote schaal wordt vastgelegd.

Ons onderzoek zou kunnen leiden tot het gebruik van topologische defecten zoals ferro-elektrische wervels als bouwstenen om qubits te vormen voor gebruik in kwantumcomputers. In regeneratieve geneeskunde en biologie kunnen topologische defecten worden gezien als de bouwstenen die de collectieve celdynamiek beheersen. De mogelijkheid om dergelijke defecten in hun oorspronkelijke omgeving te visualiseren, heeft daarom hoge prioriteit.

Edwin Fohtung, universitair hoofddocent, materiaalkunde en engineering, Rensselaer Polytechnic Institute

De vondst kan een breed scala aan toepassingen hebben, met topologische onvolkomenheden die zelfs helpen te begrijpen hoe het vroege universum na de oerknal werd gevormd.

Fohtung voegde er verder aan toe: “We kunnen de oerknal niet in het laboratorium nabootsen, maar wetenschappers kunnen de topologische defecten in de nanostructuren van materialen bestuderen met zeer vergelijkbare symmetrieverlagende faseovergangen als die van het vroege heelal na de oerknal. Zo kunnen we de snelheid waarmee het vroege heelal zich comfortabel ontwikkelde in ons laboratorium bestuderen. Topologische defecten kunnen veel nieuwe wetenschappelijke inzichten bieden, van de atomaire schaal tot de kosmische schaal!

Afgestudeerde studenten Nimish Prashant Nazirkar, Zachary Barringer en Skye Williams, samen met postdoctoraal onderzoeker Xiaowen Shi, werkten samen met Fohtung aan dit onderzoek bij Rensselaer.

Het onderzoek van Dr. Fohtung is een goed voorbeeld van de vervaging van de grenzen tussen geavanceerde materiaaltechnologie en fundamentele fysica, met mogelijke toepassingen op vele opwindende gebieden. Ik ben blij met de interdisciplinaire kansen die ingenieursstudenten en postdoctorale onderzoekers krijgen door hun deelname aan dit onderzoek.

Shekhar Garde, decaan, Engineering, Rensselaer Polytechnic Institute

De studie omvatte ook bijdragen van Ross Harder van de Advanced Photon Source.

Tijdschriftreferentie

Shi, X., et al. (2022) Topologische defecten en ferro-elastische tweelingen in ferro-elektrische nanokristallen: wat coherente röntgenstralen erover kunnen onthullen. MRS Vooruitgang. doi:10.1557/s43580-022-00352-w.

Bron: https://rpi.edu/

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert