A descoberta permite que os cientistas vejam como os materiais 2-D se movem com extrema precisão.

Usando uma técnica nunca antes vista, os cientistas descobriram uma nova maneira de usar alguns dos raios X mais poderosos do mundo para descobrir como os átomos se movem em uma única folha atômica em velocidades ultra-rápidas.

O estudo, liderado por pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e em colaboração com outras instituições, incluindo a Universidade de Washington e o SLAC National Accelerator Laboratory do DOE, desenvolveu uma nova técnica chamada espalhamento ultrarrápido de raios-X de superfície. Esta técnica revelou a mudança da estrutura de um cristal bidimensional atomicamente fino após ser excitado com um pulso de laser óptico.

"Estender [espalhamento de raios-X de superfície] para fazer ciência ultrarrápida em materiais de camada única representa um grande avanço tecnológico que pode nos mostrar muito sobre como os átomos se comportam nas superfícies e nas interfaces entre os materiais, "disse o cientista de Argonne Haidan Wen.

Ao contrário das técnicas anteriores de espalhamento de raios-X de superfície, este novo método vai além de fornecer uma imagem estática dos átomos na superfície de um material para capturar os movimentos dos átomos em escalas de tempo tão curtas quanto trilionésimos de segundo após a excitação do laser.

O espalhamento de raios-X de superfície estático e algum espalhamento de raios-X de superfície dependente do tempo podem ser realizados em uma fonte de raios-X síncrotron, mas para fazer espalhamento ultrarrápido de raios-X de superfície, os pesquisadores precisaram usar o laser de elétrons livres de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC. Esta fonte de luz fornece raios X muito brilhantes com exposições extremamente curtas de 50 femtossegundos. Ao entregar grandes quantidades de fótons para a amostra rapidamente, os pesquisadores foram capazes de gerar um sinal de espalhamento resolvido no tempo suficientemente forte, visualizando assim o movimento dos átomos em materiais 2-D.

"O espalhamento de raios-X de superfície é desafiador o suficiente por si só, "disse o físico de raios-X de Argonne Hua Zhou, um autor do estudo. "Estendê-lo para fazer ciência ultrarrápida em materiais de camada única representa um grande avanço tecnológico que pode nos mostrar muito sobre como os átomos se comportam nas superfícies e nas interfaces entre os materiais."

Em materiais bidimensionais, átomos normalmente vibram ligeiramente ao longo de todas as três dimensões em condições estáticas. Contudo, em escalas de tempo ultrarrápidas, uma imagem diferente do comportamento atômico emerge, disse o físico de Argonne e autor do estudo Haidan Wen.

Usando espalhamento ultrarrápido de raios-X de superfície, Wen e o pesquisador de pós-doutorado I-Cheng Tung conduziram uma investigação de um material bidimensional chamado disseleneto de tungstênio (WSe ₂ ) Neste material, cada átomo de tungstênio se conecta a dois átomos de selênio em forma de "V". Quando o material de camada única é atingido por um pulso de laser óptico, a energia do laser faz com que os átomos se movam dentro do plano do material, criando um efeito contra-intuitivo.

"Você normalmente esperaria que os átomos saíssem do avião, já que é onde está o espaço disponível, "Wen disse." Mas aqui nós os vemos vibrar principalmente dentro do plano logo após a excitação. "

Essas observações foram apoiadas por cálculos de primeiro princípio conduzidos por Aiichiro Nakano da University of Southern California e pelo cientista Pierre Darancet do Centro de Materiais em nanoescala de Argonne (CNM), um DOE Office of Science User Facility.

A equipe obteve medidas preliminares de espalhamento de raios-X de superfície na Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS), também um DOE Office of Science User Facility. Essas medidas, embora não tenham sido tiradas em velocidades ultra-rápidas, permitiu aos pesquisadores calibrar sua abordagem para o laser de elétrons livres LCLS, Disse Wen.

A direção das mudanças atômicas e as maneiras pelas quais as mudanças da rede têm efeitos importantes nas propriedades de materiais bidimensionais como WSe ₂ , de acordo com o professor da Universidade de Washington, Xiaodong Xu. "Como esses materiais 2-D têm propriedades físicas ricas, cientistas estão interessados ​​em usá-los para explorar fenômenos fundamentais, bem como aplicações potenciais em eletrônica e fotônica, "ele disse." Visualizar o movimento dos átomos em cristais atômicos únicos é um verdadeiro avanço e nos permitirá entender e ajustar as propriedades dos materiais para tecnologias relevantes em energia. "

"Este estudo nos dá uma nova maneira de sondar distorções estruturais em materiais 2-D conforme eles evoluem, e entender como eles estão relacionados às propriedades exclusivas desses materiais que esperamos aproveitar para dispositivos eletrônicos que usam, emitir ou controlar luz, "acrescentou Aaron Lindenberg, professor do SLAC e da Universidade de Stanford e colaborador do estudo. "Essas abordagens também são aplicáveis ​​a uma ampla classe de outros fenômenos interessantes e mal compreendidos que ocorrem nas interfaces entre os materiais."

Um artigo baseado no estudo, "Dinâmica estrutural anisotrópica de cristais de monocamada revelada por espalhamento de raios-X de superfície de femtossegundo, "apareceu na edição online de 11 de março de Nature Photonics .

Outros autores do estudo incluíram pesquisadores da Universidade de Washington, Universidade do Sul da California, Universidade de Stanford, SLAC e Kumamoto University (Japão). O APS, CNM, e LCLS são instalações do usuário do DOE Office of Science.