Câmera de um trilhão de segundos captura desordem em ação: ScienceAlert

Para tirar uma foto, as melhores câmeras digitais do mercado abrem o obturador por cerca de um quarto de milésimo de segundo.

Para fotografar a atividade atômica, você precisará de um obturador que clique mais rapidamente.

Com isso em mente, os cientistas revelaram uma maneira de atingir uma velocidade de obturador de apenas um trilionésimo de segundo, ou 250 milhões de vezes mais rápido que a das câmeras digitais. Isso o torna capaz de capturar algo muito importante na ciência dos materiais: a turbulência dinâmica.

Simplificando, isso acontece quando grupos de átomos em um material se movem e dançam de certas maneiras durante um certo período de tempo – devido à vibração ou mudança de temperatura, por exemplo. Ainda não é um fenômeno que entendemos completamente, mas é importante para as propriedades e interações dos materiais.

O novo sistema ultrarrápido de velocidade do obturador, revelado em março deste ano, nos dá ainda mais informações sobre o que está acontecendo com a turbulência dinâmica. Os pesquisadores se referem à sua invenção como a função de distribuição variável de par atômico do obturador, ou vsPDF para abreviar.

“Apenas com esta nova ferramenta vsPDF podemos realmente ver este lado do material,” Ele disse O cientista de materiais Simon Billinge, da Universidade de Columbia, em Nova York.

“Com esta tecnologia, poderemos observar um material e ver quais átomos estão na dança e quais estão parados.”

Uma velocidade de obturador mais rápida captura uma tomada de tempo mais precisa, o que ajuda objetos em movimento rápido, como átomos que vibram rapidamente. Use uma velocidade baixa do obturador em uma foto de um jogo esportivo, por exemplo, e você acabará com jogadores desfocados no quadro.

Para obter um instantâneo incrivelmente rápido, o vsPDF usa nêutrons para medir a posição dos átomos, em vez das técnicas tradicionais de imagem. A maneira como os nêutrons atingem e passam pela matéria pode ser rastreada para medir os átomos circundantes, com mudanças nos níveis de energia equivalentes aos ajustes da velocidade do obturador.

Essas diferenças na velocidade do obturador são significativas, além do trilionésimo de segundo da velocidade do obturador: elas são vitais para distinguir a turbulência dinâmica da turbulência estática relacionada e diferente – o fundo natural vibrando no local de átomos despidos. Melhore a funcionalidade do material.

“Isso nos dá uma maneira totalmente nova de desvendar as complexidades do que acontece em materiais complexos e as influências ocultas que podem amplificar suas propriedades”. Ele disse Faturas.

Neste caso, os pesquisadores treinaram sua câmera de nêutrons em um material chamado telureto de germânio (GeTe), que é amplamente utilizado por causa de suas propriedades especiais para converter calor residual em eletricidade ou eletricidade em resfriamento.

A câmera revelou que o GeTe permaneceu cristalino, No meio, em todas as temperaturas. Em temperaturas mais altas, no entanto, mostrou mais desordem dinâmica, pois os átomos trocaram movimento em energia térmica seguindo um gradiente que corresponde à direção da polarização elétrica espontânea do material.

Uma melhor compreensão dessas estruturas físicas melhora nosso conhecimento de como funcionam as termoelétricas, permitindo-nos desenvolver melhores materiais e equipamentos – como instrumentos que alimentam os rovers de Marte quando a luz solar não está disponível.

Por meio de modelos baseados em observações capturadas pela nova câmera, a compreensão científica desses materiais e processos pode ser aprimorada. No entanto, ainda há muito trabalho a ser feito para preparar o vsPDF para ser um método de teste amplamente utilizado.

“Esperamos que a tecnologia vsPDF descrita aqui se torne uma ferramenta padrão para reconciliar estruturas locais e intermediárias em materiais energéticos”, disseram os pesquisadores. explicar em seu papel.

Pesquisa publicada em materiais da natureza.

Uma versão anterior deste artigo foi publicada em março de 2023.