Marie Leroy Cent ans de physique nous apprennent que les vibrations atomiques collectives. peuvent se comporter comme des particules ou des ondes. Lorsqu’ils heurtent une interface entre deux matériaux, ils peuvent rebondir comme une balle de tennis. Si les matériaux sont minces et répétitifs, comme dans un tremendous-réseau, les phonons peuvent sauter entre des matériaux successifs.
Il existe maintenant une preuve expérimentale définitive qu’à l’échelle nanométrique, la notion de multiples matériaux minces avec des vibrations distinctes ne tient moreover. Si les matériaux sont minces, leurs atomes s’arrangent à l’identique, de sorte que leurs vibrations sont similaires et présentes partout. Une telle cohérence structurelle et vibratoire ouvre de nouvelles voies dans la conception des matériaux, ce qui conduira à des dispositifs in addition économes en énergie et à faible consommation d’énergie, à de nouvelles alternatives matérielles pour recycler et convertir la chaleur résiduelle en électricité, et à de nouvelles façons de manipuler la lumière avec la chaleur pour l’informatique avancée. Communication sans fil 6G.
La découverte a émergé d’une collaboration à very long terme de scientifiques et d’ingénieurs de sept universités et de deux laboratoires nationaux du Département américain de l’énergie. a été publié le 26 janvier dans Nature.
Eric Hoglund. a pris la relève pour l’équipe. Il a obtenu son doctorat. en science et génie des matériaux de l’UVA en mai 2020 en collaboration avec James M. Howe, professeur Thomas Goodwin Digges de science et génie des matériaux. Hoglund a continué à travailler en tant que chercheur postdoctoral avec le soutien de Howe et Patrick Hopkins, professeur Whitney Stone et professeur de génie mécanique et aérospatial.
Le succès de Hoglund illustre l’objectif et le potentiel de l’initiative d’intégration des matériaux multifonctionnels de l’UVA, qui motivate une collaboration étroite entre différents chercheurs de différentes disciplines pour étudier les performances des matériaux, des atomes aux programs.
rendue achievable par la collaboration et le co-conseil en science des matériaux et en génie mécanique, fait progresser la mission de MMI”, a déclaré Hopkins.
Hoglund a utilisé des procedures de microscopie pour répondre aux issues soulevées dans les résultats expérimentaux que Hopkins a publiés en 2013, rendant compte de la conductivité thermique des super-réseaux, que Hoglund compare à un bloc de development Lego.
“Vous pouvez obtenir les propriétés de matériau souhaitées en modifiant la manière dont les différents oxydes se couplent, le nombre de couches d’oxydes et l’épaisseur de chaque couche”, a déclaré Hoglund.
Hopkins s’attendait à ce que le phonon obtienne une résistance lorsqu’il traversait le réseau en treillis, dissipant l’énergie thermique à chaque interface des couches d’oxyde. Au lieu de cela, la conductivité thermique a augmenté lorsque les interfaces étaient très proches les unes des autres.
“Cela nous a amenés à croire que les phonons peuvent previous une onde qui existe dans tous les matériaux ultérieurs, également connue sous le nom d’effet cohérent”, a déclaré Hopkins. “Nous avons trouvé une explication qui correspondait aux mesures de conductivité, mais nous avons toujours pensé que ce travail était incomplet.”
“Il s’avère que lorsque les interfaces deviennent très proches, les preparations atomiques propres à la couche de matériau cessent d’exister”, a déclaré Hoglund. “Les positions des atomes aux interfaces et leurs vibrations existent partout. Cela explique pourquoi les interfaces espacées à l’échelle nanométrique produisent des propriétés uniques, différentes d’un mélange linéaire des matériaux adjacents.”
Hoglund a collaboré avec Jordan Hachtel, un associé R&D au Centre for Nanophase Elements Sciences du Oak Ridge Nationwide Laboratory, pour connecter la composition atomique locale aux vibrations à l’aide de nouvelles générations de microscopes électroniques à UVA et Oak Ridge. En travaillant avec des données spectroscopiques à haute résolution spatiale.
“C’est l’avancée majeure du journal Character”, a déclaré Hopkins. “Nous pouvons voir la position des atomes et leurs vibrations.”
La marche collaborative vers le succès collectif
L’effort hautement collaboratif a commencé en 2018 lorsque Hoglund partageait des ideas de recherche pour caractériser les vibrations atomiques aux interfaces dans les oxydes de pérovskite.
“J’allais à Oak Ridge pour travailler avec Jordan pendant une semaine, alors Jim et Patrick m’ont suggéré de prendre les échantillons de tremendous-réseaux et de voir ce que nous pouvons voir”, se souvient Hoglund. “Les expériences que Jordan et moi avons faites à Oak Ridge ont renforcé notre confiance dans l’utilisation de super-réseaux pour mesurer les vibrations à l’échelle atomique ou nanométrique.”
Caldwell, membre de la faculté du chancelier de la famille Bouquets et professeur agrégé de génie mécanique et de génie électrique. À l’aide des devices de Vanderbilt, ils ont mené des expériences de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier pour sonder les vibrations optiques dans l’ensemble du tremendous-réseau.
De ces expériences, Hoglund a déduit que les propriétés qui l’intéressaient – le transportation thermique et la réponse infrarouge – découlaient de l’influence de l’interface sur la framework bien ordonnée des atomes d’oxygène du super-réseau. avec un atome de métal suspendu à l’intérieur. L’interaction entre les atomes d’oxygène et de métal provoque la rotation des octaèdres à travers la composition du matériau. Les arrangements d’oxygène et de métal dans ce cadre génèrent des vibrations uniques et donnent naissance aux propriétés thermiques et spectrales du matériau.
De retour à l’UVA, la dialogue fortuite de Hoglund avec Jon Ihlefeld, professeur agrégé de science et génie des matériaux et de génie électrique et informatique. Ihlefeld a mentionné que des chercheurs affiliés aux Sandia Nationwide Laboratories, Thomas Beechem, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université Purdue, et Zachary T. Piontkowski, un membre senior du personnel system de Sandia, essayaient également d’expliquer le comportement optique des phonons et avaient également trouvé exactement les mêmes tremendous-réseaux d’oxydes comme matériau idéal pour leur étude.
Par coïncidence, Hopkins avait une collaboration de recherche en cours avec Beechem, mais avec d’autres systèmes de matériaux. “Plutôt que de rivaliser, nous avons convenu de travailler ensemble et de faire quelque chose de moreover grand que nous deux”, a déclaré Hoglund.
L’implication de Beechem a eu un avantage supplémentaire, amenant le physicien et scientifique des matériaux de Penn State Roman Engel-Herbert et son étudiant Ryan C. Haisimaier dans le partenariat pour développer des échantillons de matériaux pour les expériences de microscopie en cours à UVA, Oak Ridge et Vanderbilt. Jusqu’à présent, Ramamoorthy Ramesh, Université de Californie, Berkeley, professeur de physique et de science et génie des matériaux, et son doctorat. les étudiants Ajay K. Yadav et Jayakanth Ravichandran étaient les producteurs de l’équipe, fournissant des échantillons au groupe de recherche ExSiTE de Hopkins.
“Nous avons réalisé que nous avions toutes ces données expérimentales vraiment intéressantes reliant les vibrations aux échelles de longueur atomique et macroscopique, mais toutes nos explications étaient encore quelque peu des conjectures que nous ne pouvions pas prouver absolument sans théorie”, a déclaré Hoglund.
Hachtel a contacté un collègue de Vanderbilt, Sokrates T. Pantelides, professeur émérite universitaire de physique et d’ingénierie, professeur de physique William A. & Nancy F. McMinn et professeur de génie électrique. Pantelides et les membres de son groupe de recherche De-Liang Bao et Andrew O’Hara ont utilisé la théorie fonctionnelle de la densité pour simuler les vibrations atomiques dans un matériau virtuel avec une framework de tremendous-réseau.
Leurs méthodes théoriques et informatiques ont soutenu exactement les résultats produits par Hoglund et d’autres expérimentateurs de l’équipe. La simulation a également permis aux expérimentateurs de comprendre remark chaque atome du tremendous-réseau vibre avec une grande précision et remark cela était lié à la construction.
À ce stade, l’équipe comptait 17 auteurs : trois microscopistes, quatre spectroscopistes optiques, trois informaticiens, cinq producteurs et deux spécialistes des matériaux. Il était temps, pensaient-ils, de partager leurs découvertes avec l’ensemble de la communauté scientifique.
Un premier examinateur de leur manuscrit a conseillé à l’équipe d’établir un lien causal additionally direct entre la framework matérielle et les propriétés matérielles. “Nous avons mesuré de nouveaux phénomènes intéressants établissant des connexions sur plusieurs échelles de longueur qui devraient affecter les propriétés des matériaux, mais nous n’avions pas encore démontré de manière convaincante si et remark les propriétés connues avaient changé”, a déclaré Hoglund.
Deux étudiants diplômés du laboratoire ExSiTE de Hopkins, le scientifique principal John Tomko et le Ph.D. l’étudiante Sara Makarem, a aidé à fournir la preuve finale. Tomko et Makarem ont sondé les tremendous-réseaux à l’aide de lasers infrarouges et ont démontré que la composition contrôlait les propriétés optiques non linéaires et la durée de vie des phonons.
les super-réseaux doublent cette unité d’énergie”, a déclaré Hopkins. que nous exprimons comme l’efficacité de génération de deuxième harmonique de ces super-réseaux.
“Je pense que cela permettra la découverte de matériaux avancés”, a déclaré Hopkins. “Les scientifiques et les ingénieurs travaillant avec d’autres courses de matériaux peuvent désormais rechercher des propriétés similaires dans leurs propres études. Je m’attends à ce que nous découvrions que ces ondes de phonons, cet effet cohérent, existent dans de nombreux autres matériaux.”
La collaboration de longue date se poursuit. Hoglund en est à sa deuxième année en tant que chercheur postdoctoral, travaillant à la fois avec Howe et Hopkins. Avec Pantelides, Hachtel et Ramesh, il s’attend à ce qu’ils aient de nouvelles idées passionnantes sur la composition atomique à partager dans un proche avenir.
