通過使用國(guó)家同步加速器光源II(NSLS-II)提供的X射線技術(shù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)相關(guān)材料磁鐵礦中的金屬 - 絕緣體轉(zhuǎn)變是一個(gè)兩步過程。加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員在“ 物理評(píng)論快報(bào) ”雜志上發(fā)表了他們的論文。NSLS-II是位于布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)能源部(DOE)科學(xué)辦公室用戶設(shè)施，具有獨(dú)特的功能，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地應(yīng)用該技術(shù)。

“相關(guān)材料具有有趣的電子，磁性和結(jié)構(gòu)特性，我們?cè)噲D了解這些特性在溫度變化時(shí)或在光脈沖或電場(chǎng)的應(yīng)用下如何變化”加州大學(xué)戴維斯分校教授Roopali Kukreja說道。該論文的第一作者。一種這樣的特性是導(dǎo)電性，其確定材料是金屬還是絕緣體。

如果材料是良好的電導(dǎo)體，它通常是金屬的，如果不是，則它被稱為絕緣體。在磁鐵礦的情況下，無(wú)論材料是導(dǎo)體還是絕緣體，溫度都可以改變。對(duì)于已發(fā)表的研究，研究人員的目標(biāo)是了解磁鐵礦在原子水平上如何變得更熱，從絕緣體變?yōu)榻饘佟?/p>

在任何材料中，在其數(shù)十億個(gè)原子的每個(gè)中都存在特定的電子排列。電子的這種排序很重要，因?yàn)樗鼪Q定了材料的特性，例如其導(dǎo)電性。為了理解磁鐵礦的金屬 - 絕緣體轉(zhuǎn)變，研究人員需要一種方法來(lái)觀察材料中電子的排列如何隨著溫度的變化而變化。

“這種電子安排與我們認(rèn)為磁鐵礦成為絕緣體的原因有關(guān)，”Kukreja說。然而，研究這種安排及其在不同條件下如何變化需要科學(xué)家們能夠以極小的尺度觀察磁鐵礦。

該技術(shù)被稱為X射線光子相關(guān)光譜(XPCS)，可在NSLS-II的相干軟X射線散射(CSX)光束線上獲得，使研究人員能夠觀察材料在納米尺度上的變化 - 大約為十億分之一米。

“CSX專為軟X射線相干散射而設(shè)計(jì)。這意味著光束線利用我們的超亮，穩(wěn)定和相干的X射線源來(lái)分析電子的排列如何隨時(shí)間變化，”CSX科學(xué)家Andi Barbour解釋道。合著者在紙上。“卓越的穩(wěn)定性使研究人員能夠研究數(shù)小時(shí)內(nèi)的微小變化，從而揭示材料中的固有電子行為。”

但是，這不是直接可見的，所以XPCS使用技巧來(lái)揭示信息。

“XPCS技術(shù)是一種能夠在凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中探測(cè)動(dòng)力學(xué)的相干散射方法。當(dāng)相干的X射線束從樣品中散射時(shí)會(huì)產(chǎn)生散斑圖案，作為其在真實(shí)空間中的不均勻性的指紋，”溫說。胡錦濤是CSX的科學(xué)家，也是該論文的共同作者。

然后科學(xué)家可以對(duì)其材料應(yīng)用不同的條件，如果散斑圖案發(fā)生變化，則意味著樣品中的電子排序正在發(fā)生變化。“從本質(zhì)上講，XPCS測(cè)量散斑強(qiáng)度與平均強(qiáng)度變得非常不同所需的時(shí)間，這被稱為去相關(guān)，”CSX光束線的主要光束線科學(xué)家Claudio Mazzoli說。“同時(shí)考慮許多斑點(diǎn)，集合去相關(guān)時(shí)間是給定樣本條件的動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度的標(biāo)志。”

該技術(shù)揭示了金屬 - 絕緣體轉(zhuǎn)變不像前面所想的那樣是一步過程，但實(shí)際上分兩步進(jìn)行。

“我們的預(yù)期是，在升溫的過程中，事情會(huì)變得越來(lái)越快。我們看到的是事情變得越來(lái)越快，然后它們變慢。所以快速階段是一步，第二步是放慢速度，需要在材料成為金屬之前發(fā)生，“Kukreja說?？茖W(xué)家懷疑發(fā)生減速是因?yàn)樵谙嘧兤陂g，金屬和絕緣性質(zhì)實(shí)際上同時(shí)存在于材料中。

“這項(xiàng)研究表明，這些納米長(zhǎng)度尺度對(duì)這些材料非常重要，”Kukreja說。“我們無(wú)法在NSLS-II的CSX光束線以外的任何地方訪問這些信息和這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)。”