Эта связь между электронами и фононами определяет, насколько эффективно солнечные элементы преобразуют солнечный свет в электричество. Он также играет ключевую роль в сверхпроводниках, которые передают электричество без потерь, топологических изоляторах, которые проводят электричество только по своей поверхности, материалах, которые резко изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля, и многом другом.
В Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики США ученые могут изучать эти связанные движения с беспрецедентной детальностью с помощью самого мощного в мире рентгеновского лазера — линейного источника когерентного света (LCLS). LCLS — это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США.«Это давняя цель — понять, инициировать и контролировать такое необычное поведение», — говорит директор LCLS Майк Данн. «С помощью LCLS теперь мы можем видеть, что происходит в этих материалах, и моделировать сложные электрон-фононные взаимодействия.
Эта способность является центральным элементом миссии лаборатории по разработке новых материалов для электроники и энергетических решений следующего поколения».LCLS работает как необычный стробоскоп: его сверхяркие рентгеновские лучи делают снимки материалов с атомарным разрешением и фиксируют движения за несколько фемтосекунд или миллионных долей миллиардной секунды. Для сравнения, одна фемтосекунда равна секунде, как семь минут для возраста Вселенной.В двух недавних исследованиях эти возможности использовались для изучения электрон-фононных взаимодействий в теллуриде свинца, материале, превосходно способном преобразовывать тепло в электричество, и в хроме, который при низких температурах имеет специфические свойства, аналогичные свойствам высокотемпературных сверхпроводников.
Превращение тепла в электричество и наоборот
Теллурид свинца, соединение химических элементов свинца и теллура, представляет интерес, потому что он является хорошим термоэлектриком: он генерирует электрическое напряжение, когда две противоположные стороны материала имеют разные температуры.«Это свойство используется для работы космических миссий НАСА, таких как марсоход Curiosity, и для преобразования отработанного тепла в электричество в автомобилях высокого класса», — говорит Мариано Триго, научный сотрудник Стэнфордского института PULSE и Стэнфордского института материаловедения и энергетики. (SIMES), оба совместных института Стэнфордского университета и SLAC. «Эффект работает и в обратном направлении: электрическое напряжение, приложенное к материалу, создает разницу температур, которую можно использовать в термоэлектрических охлаждающих устройствах».Мейсон Цзян, недавний аспирант Стэнфордского университета, PULSE и SIMES, говорит: «Теллурид свинца исключительно хорош в этом. Он обладает двумя важными качествами: это плохой проводник тепла, поэтому он не позволяет теплу течь с одной стороны на другую, и это также хороший электрический проводник, поэтому он может превращать разницу температур в электрический ток.
Поэтому связь между колебаниями решетки, вызванными теплом, и движениями электронов очень важна в этой системе. В нашем исследовании в LCLS мы хотели понять, что естественно происходит в этом материале ".В своем эксперименте исследователи возбуждали электроны в образце теллурида свинца коротким импульсом инфракрасного лазерного света, а затем использовали рентгеновские лучи LCLS, чтобы определить, как этот всплеск энергии стимулировал колебания решетки.
«Теллурид свинца находится на грани сопряженного электронного и структурного преобразования», — говорит главный исследователь Дэвид Рейс из PULSE, SIMES и Стэнфорда. «Он имеет тенденцию искажаться без полного преобразования — нестабильность, которая, как считается, играет важную роль в его термоэлектрическом поведении. С помощью нашего метода мы можем изучать задействованные силы и буквально наблюдать, как они изменяются в ответ на инфракрасный лазерный импульс».Ученые обнаружили, что световой импульс возбуждает определенные электронные состояния, которые ответственны за эту нестабильность за счет электрон-фононной связи. Возбужденные электроны стабилизируют материал, ослабляя определенные дальнодействующие силы, которые ранее были связаны с низкой теплопроводностью материала.
«Световой импульс фактически уводит материал от края нестабильности, делая его термоэлектрическим хуже», — говорит Рейс. «Это означает, что верно и обратное — что более сильные дальнодействующие силы приводят к лучшему термоэлектрическому поведению».Исследователи надеются, что их результаты, опубликованные 22 июля в Nature Communications, помогут им найти другие термоэлектрические материалы, которые более распространены и менее токсичны, чем теллурид свинца.Управление материалами с помощью стимулирования заряженных волнВо втором исследовании рассматривались волны зарядовой плотности — чередующиеся области высокой и низкой электронной плотности в ядерной решетке — которые возникают в материалах, которые резко меняют свое поведение на определенном пороге.
Это включает переходы от изолятора к проводнику, от нормального проводника к сверхпроводнику и от одного магнитного состояния к другому.Эти волны на самом деле не проходят через материал; они неподвижны, как ледяные волны у берега замерзшего озера.«Волны плотности заряда наблюдались в ряде интересных материалов, и установление их связи со свойствами материалов — очень актуальная тема для исследований», — говорит Андрей Сингер, научный сотрудник лаборатории Олега Шпирко в Калифорнийском университете в Сан-Диего. «Теперь мы показали, что есть способ усилить волны плотности заряда в кристаллах хрома с помощью лазерного света, и этот метод потенциально может быть использован для настройки свойств других материалов».
Это может означать, например, что ученые могут переключить материал с обычного проводника на сверхпроводник с помощью одной вспышки света. Сингер и его коллеги сообщили о своих результатах 25 июля в Physical Review Letters.Исследовательская группа использовала химический элемент хром в качестве простой модельной системы для изучения волн плотности заряда, которые образуются, когда кристалл охлаждается примерно до минус 280 градусов по Фаренгейту. Они стимулировали охлажденный кристалл импульсами оптического лазерного света, а затем использовали рентгеновские импульсы LCLS, чтобы наблюдать, как эта стимуляция изменяет амплитуду или высоту волн плотности заряда.
«Мы обнаружили, что амплитуда сразу после лазерного импульса увеличилась на 30 процентов», — говорит Сингер. «Затем амплитуда колебалась, становясь все меньше и больше в течение 450 фемтосекунд, и она продолжала расти, когда мы продолжали воздействовать на образец лазерными импульсами. LCLS предоставляет уникальные возможности для изучения такого процесса, поскольку позволяет нам снимать сверхбыстрые видеоролики связанных структурные изменения в решетке ".Основываясь на своих результатах, исследователи предложили механизм увеличения амплитуды: световой импульс прерывает электрон-фононные взаимодействия в материале, заставляя решетку колебаться. Вскоре после импульса эти взаимодействия формируются снова, что увеличивает амплитуду колебаний, как маятник, который раскачивается дальше, когда он получает дополнительный толчок.
Яркое будущее для исследований электрон-фононного танцаПодобные исследования имеют высокий приоритет в физике твердого тела и материаловедении, потому что они могут проложить путь для новых материалов и предоставить новые способы управления свойствами материалов.Благодаря 120 сверхярким рентгеновским импульсам в секунду LCLS демонстрирует электронно-фононный танец с беспрецедентной детализацией.
На горизонте появятся новые прорывы в этой области с LCLS-II — рентгеновским лазером следующего поколения, который строится в SLAC, который будет генерировать до миллиона рентгеновских вспышек в секунду и будет в 10 000 раз ярче, чем LCLS.«LCLS-II значительно увеличит наши шансы на захват этих процессов», — говорит Данн. «Поскольку он также обнаружит тонкие электрон-фононные сигналы с гораздо более высоким разрешением, мы сможем изучить эти взаимодействия гораздо более подробно, чем сейчас».Другими исследовательскими учреждениями, участвовавшими в исследованиях, были Университетский колледж Корка, Ирландия; Имперский колледж Лондона, Великобритания; Университет Дьюка; Национальная лаборатория Окриджа; Центр «РИКЕН Весна-8», Япония; Токийский университет, Япония; Университет Мичигана; и Кильский университет, Германия.
Источники финансирования: Управление науки Министерства энергетики США; Научный фонд Ирландии; Фонд Volkswagen, Германия; и Федеральное министерство образования и исследований Германии. Предварительные рентгеновские исследования теллурида свинца были выполнены в Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SSRL) SLAC, в исследовательском центре Министерства энергетики США и в компактном лазере на свободных электронах Spring-8 Angstrom (SACLA), Япония.