11年2021月XNUMX日（Nanowerkニュース）原子または分子は私たちの周りのすべてを構成します。 一般的な塩や鉄のような多くの固体では、「結晶格子」と呼ばれる繰り返し構造としてきれいに配置されています。 加えられた力のような外部要因に対する固体の振る舞いは、個々の原子や分子ではなく、格子の集合的な振る舞いによって決定されます。 構成要素の小さな振動が、格子の集合的な応答を決定します。 個々の構成要素の代わりに、熱が固体をどのように輸送するか、材料が固体、液体、気体の間でどのように状態を変化させるかなど、さまざまな自然現象を決定するのはこの集合的な応答です。 新しい研究では（npj計算資料, 「ab-initioシミュレーションを使用した格子ダイナミクスのXNUMX次元イメージング」）、インド工科大学ボンベイ校（IITボンベイ校）の研究者は、外乱に応じた格子構造の変化を予測する理論的方法を考案しました。 ジャーナルnpjComputational Materialsに掲載されたこの研究は、IITボンベイ産業研究コンサルタントセンター、人的資源開発省（現在の教育省）、原子力省、科学技術省によって部分的に資金提供されました。テクノロジー、インド政府。 科学者は、最初に構造に外部擾乱を作成し、次に擾乱が時間とともにどのように変化するかを観察することによって、格子構造またはそのダイナミクスの変化を調べます。 外乱は、レーザー光の短いフラッシュによって引き起こされることがよくあります。 「レーザーのフラッシュによって固体を乱すと、その原子が振動し始めます」と、研究の著者のXNUMX人であるGopalDixit教授は言います。 X線光または電子は、格子内の原子および分子の位置に関する情報を明らかにすることができます。 科学者は、数フェムト秒、つまりXNUMX兆分のXNUMX秒離れたインスタンスで、複数のX線または電子パルスで固体を攻撃します。 したがって、彼らはこれらのインスタンスで固体の画像を取得することができ、それらをつなぎ合わせて振動する原子を撮影します。 このような実験は、標準的な実験用顕微鏡よりも高価で、世界中のいくつかの珍しい施設で利用できる洗練された機器を含む、設計が困難です。 科学者がそのような高度な実験を行うことができたのは、過去XNUMX年間だけです。
入射X線または電子パルスがサンプルに当たり、原子振動が発生します。 入射パルスに対する固体の応答は、検出器、X線または電子カメラによって確認されます。 （画像：IITボンベイ機械工学科Aditya Prasad Roy）一方、乱されていない固体の分子配列の研究は簡単です。 科学者たちはXNUMX年以上にわたって、シリコンなどの固体にX線または電子ビームを照射し、このビームがその格子とどのように相互作用するかを観察してきました。 「ビームに対する固体の応答は、出て行くビームに特定の痕跡を残し、格子内の原子振動を明らかにします」と、この研究の別の著者であるDipanshuBansal教授は述べています。 ジョセフ・フーリエによって最初に発明された「フーリエ解析」と呼ばれる革新的な数学的手法は、空間と時間の両方で格子の小さな構造を研究するのに役立ちます。
現在の研究では、研究者は数学的計算を実行し、一時的な外乱を受ける固体を研究するために同様の手法を使用できることを実証しました。 彼らは、量子物理学の法則とともに、フーリエ法の拡張バージョンを使用しました。 さらに、彼らは時間は一方向に流れるという基本的な考えを使用しました。 これらは、格子構造が外乱にどのように反応するかを決定する数学的量を計算するように彼らを導きました。
研究者たちは、「応答関数」とも呼ばれるこの数学的量を使用して、固体が時間内に数フェムト秒まで、空間がナノメートルの何分のXNUMXまでどのように動作するかを予測しました。 次に、過去XNUMX年間にレーザーを使用して実施された実験から得られた画像から応答関数を計算しました。 現在の研究の研究者が示したこの量は、理論的な応答関数と正確に一致します。 彼らの計算は、固体のダイナミクスを研究するために高度な実験を行う必要がないことを初めて示しています。
他にも利点があります。 「私たちが提案する方法では、ダイナミクスを研究するために、ピコ秒の何分のXNUMXかで分離された個別のX線または電子パルスは必要ありません。 代わりに、単一のパルスで十分です」とディキシット教授は主張します。 計算はパソコンで数日しかかかりませんが、実験は数日から数ヶ月かかることがあります。
この研究はまた、理論家と実験家を集めました。 「私たちの仕事は共同作業の真の成功です」と実験科学者のバンサル教授は言います。 「理論では説明できない正確な実験条件と、理論物理学者が課題に取り組むための洞察が必要でした」と、理論家であるディキシット教授は付け加えます。 「実験の実施には課題がありますが、理論的な計算に制限はありません」と実験家のバンサル教授は認めています。
研究者たちは、彼らの方法は、磁場、外圧、または高温などのさまざまな環境の固体に適用可能であると主張しています。 「これは、最も洗練された顕微鏡実験でも不可能です」とバンサル教授は言います。 実験で得られる限られたデータから応答関数を推定することは容易ではありませんが、急速な技術の進歩により調査が容易になっています。
