Ny avbildningsteknik visar vägen för atomernas rörelse

I den nya studien har forskarna lyckats se atomernas mikroskopiska rörelser på ett sätt som tidigare inte varit möjligt. Atomernas rörelse ser olika ut beroende på vilken energi de har och i tidigare forskning har det varit möjligt att mäta atomernas genomsnittliga rörelse. I den nya studien har forskarna dessutom för första gången kunnat se hur atomerna rör sig vid specifika energier.

– Atomernas rörelse vid olika energier kan liknas vid olika danser i olika takter. Man kan säga att vi nu kunde urskilja koreografierna för de olika danserna, säger Paul Zeiger, postdoktor vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

I studien undersökte forskarna vibrationerna i två olika kristallstrukturer, strontiumtitanat och bariumtitanat. Med hjälp av ett högupplöst sveptransmissionselektronmikroskop kunde forskare vid University of California i Irvine, för respektive kristallstruktur identifiera vilka atomer som vibrerade vid vilken energi samt deras vibrationsriktningar. Fysiker vid Uppsala universitet genomförde samtidigt simuleringar på superdatorer som stämde väl överens med de experimentella mätningarna och kunde därmed bekräfta och förklara mätningarna.

I strontiumtitanat svängde strontium- och titanatomer symmetriskt i alla riktningar, men amplituden för syreatomerna varierade med energin och beroende på om de svängde mot titan- eller strontiumatomer. Motsvarande vibrationsmönster kunde observeras för bariumtitanat, som har en liknande kristallstruktur som strontiumtitanat, men med lägre symmetri. I bariumtitanat skilde sig också storleken på syreatomens vibrationer mellan syreatomerna, beroende på deras positioner i kristallen. Den lägre symmetrin i bariumtitanat ger upphov till ferroelektricitet, det vill säga att det finns en permanent polarisation i strukturen som resulterar från en asymmetrisk placering av atomerna.

Vid mätningarna i sveptransmissionselektronmikroskopet fokuseras en elektronstråle på en yta av provet som har en diameter som är mindre än avståndet mellan två atomer, runt en tiondel av en miljondels millimeter. Elektronstrålen sveper upprepade gånger över ett raster över provet. När elektronstrålen passerar genom provet växelverkar elektronerna med provet och med hjälp av elektronlinser och magnetfält går det sedan att mäta hur elektronernas rörelseriktningar och energier förändrats för varje mätpunkt. Utifrån dessa data kan man till exempel bestämma atomernas positioner och flera andra egenskaper som atomernas vibrationsenergier, som i studien ca 10–120 meV.

Det som ligger till grund för den nya avbildningstekniken är att forskarna samlade in och analyserade data på ett nytt sätt. Genom att välja två vinkelräta riktningar var det möjligt att bestämma atomernas huvudsakliga rörelseriktningar för olika energier, baserat på hur elektronstrålen växelverkade med provet.

I simuleringarna av denna växelverkan, där de använde sig av en beräkningsteknik, FRFPMS-tekniken, som tidigare utvecklats vid Uppsala universitet, observerade de att elektronstrålen påverkas olika av atomernas vibrationer i de olika riktningarna vid olika energier.

– Vi kunde både utifrån experimenten och simuleringarna visa att det är möjligt att avbilda skillnaderna för hur syreatomerna rör sig vid olika energier som följd av växelverkan, säger Ján Rusz, professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

Kunskapen om i vilka riktningar atomerna svänger vid olika energier i ett material påskyndar utvecklingen inom materialvetenskap och nanoteknologi. Den bidrar till förståelsen för hur värme leds på atomnivå och hur atomernas rörelser påverkar olika materialegenskaper, som bland annat elektroniska och optiska egenskaper.

– Vi har i tidigare experiment redan använt oss av den nya tekniken när vi undersökt monolager av järnselenid odlat på strontiumtitanat. Det ökade vår förståelse av högtemperatursupraledning, som tros bero på växelverkan mellan atomernas vibrationer och elektronernas rörelse i materialet, säger Ján Rusz.

Camilla Thulin