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VO2的一个有趣特性是相变可以非常快速地发生 唯一的限制似乎是加热系统的速度

一个特别有趣的相变是材料二氧化钒(VO2)中的绝缘体 - 金属转变。在室温下,VO2是绝缘体,并且在晶体内部,钒离子形成钒对的周期性链,称为二聚体。当该化合物被加热到刚好高于室温时,原子结构发生变化并且对被破坏,但是材料仍然是固体。同时,材料的电导率增加了5个数量级以上,并且具有从无能量气候控制到红外传感的各种应用。

VO2的一个有趣特性是相变可以非常快速地发生,唯一的限制似乎是加热系统的速度。为了解释这种令人难以置信的速度,科学家们建议在钒离子之间必须存在协同运动,即每个钒对同时以相同的方式断裂。

为了理解材料的原子结构,科学家们使用了一种称为衍射的技术。在过去的30年中,这种方法已经扩展到包括时间分辨率,目的是获得“分子电影”,即直接拍摄过渡期间原子的运动。当这项技术于2007年首次应用于VO2时,它似乎证实了协调运动的图像。

然而,衍射仅测量平均原子位置,并且几乎没有显示有关各个原子所采用的实际路径的信息。例如,沿着巴塞罗那PasseigdeGràcia大道行进的抗议者以统一,规律的协调方式行进,而一群游客平均可以覆盖相同的距离,但是以完全不协调的方式,想知道周围并随意停下来看在城市的建筑。在衍射中,这些过程看起来是一样的。

现在,在最近的一项研究,发表在科学,研究人员ICFO教授西蒙·沃尔,博士生卢西亚娜维达斯和前博士后蒂莫西·米勒,在合作与来自杜克大学,SLAC国家加速器实验室,日本同步辐射研究院,斯坦福大学的科学家和橡树岭国家实验室使用了一种能够解析原子通路的新技术。

为此,研究人员利用位于SLAC国家加速器实验室的世界上第一台X射线激光器。这种新型光源使研究人员能够使用一种称为全X射线散射的技术,以前所未有的细节检查晶体结构。与流行观点相反,作者发现钒对的破裂极度无序,更像游客,而不是游行者。

正如该论文的第一作者西蒙•沃尔所评论的那样:“这是我们第一次真正能够观察到原子在相变过程中如何重新排列而不假设运动是均匀的,并且表明教科书对这些过渡的理解需要我们现在计划用这种技术来探索更多的材料,以了解疾病的作用是如何广泛传播的。“

迄今为止,VO2经常被用作理解更复杂材料(如高温超导体)中相的指导。因此,这里吸取的经验教训表明,这些材料也需要重新审查。此外,理解无序在振动材料中的作用可能意味着对如何控制物质的新观点,特别是在超导性领域,这可能对纳米技术和光电子学产生重大影响。

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