{{{sourceTextContent.title}}}

Une arme à feu de radar pour les atomes indisciplinés

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Des rayons X ont été longtemps employés pour faire des images des objets minuscules, même atomes simples. Maintenant une équipe de scientifiques a découvert une nouvelle utilisation pour des rayons X à l'échelle atomique : utilisation de eux comme une arme à feu de radar pour mesurer le mouvement et la vitesse des groupes complexes et malpropres d'atomes.

{{{sourceTextContent.description}}}

« Il est un peu comme un piège de vitesse de police -- pour des défauts atomiques et de nanoscale, » dit Randall Headrick, un professeur de la physique à l'université du Vermont qui a mené l'équipe de recherche. La nouvelle technique a été rapportée le 28 mars dans la physique de nature de journal.

Les rayons X ont la grande puissance de regarder en dedans. Ce n'est pas simplement Superman ; les scientifiques avaient poussé plus près de ce qui pourrait sembler comme la science-fiction, formant des rayons X sur les objets minuscules, y compris des chaînes de l'ADN, des virus, et des différents atomes. Mais car ils sondent la structure de jamais-plus petites choses, la disposition aléatoire de ces objets le rend de plus en plus difficile à distinguer eux. Un problème de longue date a été que les bonnes images de rayon X exigent les cristaux presque parfaits--objets identiques dans l'ordre précis. À l'échelle des objets d'atomes, complexes et désordonnés -- comme les couches minces qui sont employées pour faire l'écran à un téléphone portable ou les couches en métal utilisé dans des circuits électroniques -- donnez une image trouble de rayon X.

« Il est comme mélanger beaucoup de différents visages dans une image composée, » Headrick dit, « ou essayant de voir quelle voiture moyenne ressemble à par observer la fermeture éclair du trafic le long d'une route. »

Dans une nouvelle approche, Headrick et les autres scientifiques, avec l'appui du Département de l'énergie des États-Unis, imposent l'ordre aux rayons X quand il n'y a pas ordre dans ce que regardent ils. Ils ont employé les rayons X logiques (pensez les rayons X voyageant dans une fanfare) pour récupérer une partie d'information de leur image. Plutôt comme le radar sélectionne la vitesse d'une personne sur la route, ils a pêché les vitesses distinctes de petits groupes d'atomes du signal en vrac de rayon X qu'elles brillaient sur un courant des atomes dans le mouvement. Et dans ce nouveau genre d'image de rayon X, ils ont découvert des vides et des pores minuscules qui forme en faisant deux sortes des couches minces avec du silicium et le tungstène -- et comment ces vides et pores se déplacent.

Leurs promesses de découverte d'améliorer des techniques industrielles pour faire les couches minces plus lisses et plus parfaites -- ce qui ont des milliers d'applications commerciales des panneaux solaires pour doper des systèmes de livraison, des puces aux sacs de pommes chips.

Mais bien plus important, Headrick note, la recherche ouvre une nouvelle voie de regarder beaucoup de genres de blocs complexes des atomes dans le mouvement, pas simplement cristaux rangés.

« Nous pouvons voir que ces défauts de nanoscale forment dans le film tandis qu'ils sont faits, » Headrick dit. Les scientifiques ont été étonnés qu'ils pouvaient créer une vue pas simplement de l'aspérité du film, mais également la structure intérieure. C'est important puisque la qualité des couches minces peut être fortement affectée par les relations dynamiques entre la façon dont ils se développent sur la surface -- souvent étant pulvérisé ou déposé dans un vide -- et la structure des atomes formant sous la surface.

« Nous constatons qu'il y a deux genres de défauts, » Headrick note, « un type qui se déplace avec la surface et est vraisemblablement des nanocolumns qui se développent avec la surface -- et un autre type qui sont des vides qui ne se développent pas avec la surface. »

Pour comprendre ces deux genres de défauts, versez-vous un verre de bière et observez les bulles. Un certain mouvement dans les lignes minces par le liquide, voyageant tandis que le dessus de la bière monte également. D'autres bulles, emprisonnées dans la tête mousseuse, sont coincées en place tandis que plus de piles de mousse sur elles.

Imaginez maintenant que ces bulles sont réellement les atomes simples. Les lignes des bulles qui se relèvent tandis que la bière est versée sont comme les nanocolumns des atomes Headrick et l'équipe observée avec la nouvelle technique de rayon X. Les vides dans le film sont comme les bulles emprisonnées dans la mousse de bière.

L'auteur important sur le papier est l'étudiant de troisième cycle de Headrick, Jeffrey Ulbrandt. Ensemble, ils ont collaboré avec des chercheurs d'université de Boston, y compris le physicien Karl Ludwig, et les scientifiques au laboratoire national d'Argonne, pour faire la découverte. Utilisant une grande machine appelée un synchrotron à la source avancée du photon d'Argonne, ils pouvaient diriger les vagues fortement organisées des rayons X sur les films. Reflètent avec ces rayons X logiques, objets désordonnés -- comme la surface approximative et l'intérieur brouillé d'un film de silicium -- peut être senti dans un modèle complexe des taches qui est fait sur le détecteur de rayon X.

« Ce modèle de tache contient les informations détaillées sur les formes et les espacements de la collection d'objets, » Headrick explique.

Ces rayons X logiques peuvent également sentir le mouvement, dépistant les groupes secouants et de grouillements d'atomes qui se déplacent indépendamment et sans ordre. La nouvelle étude pousse que réalisation en avant. Les scientifiques ont pris une vague dispersée des rayons X rebondissant outre de la surface approximative de la couche mince étant déposée dans un puits à dépression -- et l'a mélangé à une vague dispersée des rayons X venant les défauts désordonnés -- les nanocolumns et les vides -- formation sur et sous la surface du film.

Ces deux vagues mélangées fonctionnent un peu comme une arme à feu de radar. Les vagues de la forme extérieure une référence de vitesse -- tandis que les vagues sous la surface forment un signal beaucoup plus petit mélangé dans cette vague de référence. Les scientifiques ont regardé le modèle tacheté de la diffusion des rayons X outre de la surface croissante des couches minces, atteignant plus profondément un taux connu. Alors ils ont mesuré comment ce modèle tacheté a oscillé en agissant l'un sur l'autre avec les rayons X rebondissant outre des défauts et de l'intérieur. Ces oscillations (« comme un diapason vibrant, » Headrick dit) sont provoquées par vitesses allantes d'atomes différentes -- ce qui a donné à l'équipe une mesure sensible des vitesses relatives des atomes dans le mouvement. Mais au lieu de 55 M/H, la surface de la couche mince grandit à quelques angströms par seconde. Certains des défauts se développent avec eux, alors que d'autres obtiennent partis dans le nanodust.

« C'est un nouvel effet de rayon X, » Randy Headrick dit, « qui nous laisse sentir la matière désordonnée dans le mouvement -- à l'échelle atomique. »