通過使用國家同步輻射光源二號(hào)(NSLS二號(hào))提供的X射線技術(shù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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)》上發(fā)表了他們的論文。NSLS二號(hào)是位于布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。它功能獨(dú)特，可長期穩(wěn)定使用。
加州大學(xué)戴維斯分校教授Roopali Kukreja說：“相關(guān)材料具有有趣的電子、磁性和結(jié)構(gòu)特征，我們?cè)噲D了解這些特征在溫度變化時(shí)或在光脈沖或電場的作用下是如何變化的。本文第一作者。其中一個(gè)特征是導(dǎo)電性，它決定了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，它被稱為絕緣體。就磁鐵礦而言，無論材料是導(dǎo)體還是絕緣體，溫度都會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于已發(fā)表的研究，研究人員的目標(biāo)是觀察磁鐵礦如何在原子水平上變得更熱，從絕緣體到金屬。
在任何材料中，其數(shù)十億個(gè)原子中的每一個(gè)都有特定的電子排列。電子的這種順序非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了材料的性質(zhì)，比如它們的導(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觀察電子在材料中的排列如何隨著溫度的變化而變化。Kukreja說：“這種電子排列與我們認(rèn)為磁鐵礦變成絕緣體的原因有關(guān)。然而，研究這種排列及其在不同條件下的變化需要科學(xué)家能夠在非常小的范圍內(nèi)觀察磁鐵礦。
這種被稱為X射線光子相關(guān)光譜(XPCS)的技術(shù)可以在NSLS二號(hào)的相干軟X射線散射(CSX)光束線上獲得，這使得研究人員能夠在納米尺度上觀察材料的變化——大約十億分之一米。“CSX設(shè)計(jì)用于軟X射線相干散射。這意味著束線使用我們的超亮、穩(wěn)定和相干的X射線源來分析電子的排列是如何隨時(shí)間變化的，”CSX科學(xué)家安迪巴伯解釋道。寫在紙上了?！皟?yōu)異的穩(wěn)定性使研究人員能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)研究微小的變化，從而揭示材料固有的電子行為。”
然而，這不是直接可見的，所以XPCS使用技術(shù)來揭示信息?！癤PCS技術(shù)是一種相干散射方法，可以探測(cè)凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)。當(dāng)相干X射線束從樣品中散射出來時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)散斑圖案，作為其在真實(shí)空間中不均勻性的指紋，”溫說。胡錦濤是CSX的科學(xué)家，也是這篇論文的合著者。然后科學(xué)家可以對(duì)他們的材料應(yīng)用不同的條件。如果斑點(diǎn)圖案改變，則意味著樣品中的電子順序正在改變。CSX光束線的主要光束線科學(xué)家克勞迪奧馬佐利說：“基本上，XPCS測(cè)量的是斑點(diǎn)強(qiáng)度和平均強(qiáng)度變得非常不同的時(shí)間，這被稱為去相關(guān)”。一次考慮許多點(diǎn)，設(shè)定的去相關(guān)時(shí)間是給定樣本條件下動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度的標(biāo)志
這項(xiàng)技術(shù)揭示了金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變并不像以前認(rèn)為的那樣是一步到位的過程，實(shí)際上它是分兩步進(jìn)行的?！拔覀兊钠谕?，在升溫的過程中，事情會(huì)變得越來越快。我們看到的是事情越來越快，然后就會(huì)變慢。所以快速階段是一步，第二步是減速，也就是說，它需要在材料變成金屬之前發(fā)生，”Kukreja說?？茖W(xué)家懷疑減速的發(fā)生是因?yàn)樵谙嘧冞^程中，金屬和絕緣特性實(shí)際上同時(shí)存在于材料中。“這項(xiàng)研究表明，這些納米長度的尺度對(duì)這些材料非常重要，”Kukreja說?！拔覀儫o法在NSLS二號(hào)的CSX光束線之外的任何地方獲得這些信息和這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)?！?
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