Tavallisten materiaalien olomuotomuutoksia kuten sulamista tai jäätymistä on tutkittu hyvin yksityiskohtaisesti jo vuosikymmenien ajan.

Yhdysvaltalais-venäläinen tutkijaryhmä on nyt onnistuneesti kokeillut olomuotomuutoksen käynnistämistä voimakkaiden laservalopulssien avulla ilman muuttuvan lämpötilan läsnäoloa, kertoo EurekAlert-sivusto.

Tieteilijöiden koetilanteessa todistama muutosprosessi eteni hyvin poikkeavalla tavalla.

Tiedeyhteisö on pitkään uumoillut, että ilman lämpötilan vaihtelua muutosprosessi voisi olla erilainen. Kyseessä on ensimmäinen kerta, kun epätyypillinen tapahtumasarja on saatu aikaiseksi havaintojen kera.

Tutkimustulokset julkaistiin Nature Physics -tiedejulkaisussa.

Tutkijat hyödynsivät koetilanteessa oikean kiinteän kidemuotoisen materiaalin, kuten jään sijasta varaustiheysaalloksi (charge density wave, CDW) kutsuttua elektronista jäljennöstä. CDW on jäädytetty elektronitiheysmuunnos kiinteän materiaalin sisällä. Se jäljittelee läheisesti kiteistä kiinteää materiaalia ominaisuuksiltaan.

Esimerkiksi jään tavanomainen sulaminen on verrattain yhtenäinen prosessi. Kun sulaminen saadaan aikaiseksi äärimmäisen nopeiden laservalopulssien avulla varaustiheysaallossa, ei tulos prosessin suhteen ole lainkaan sama.

Tutkijaryhmä huomasi valopulssisulatuksessa, että olomuotomuutos etenee useiden materiaaliin ilmaantuvien vääristymien, eli ”muuttumattomien virheiden” kautta.

Vääristymät vaikuttivat materiaalin elektronien ja atomien kiderakenteen liikkuvuuteen.

”Ratkaiseva tekijä ainutlaatuisen sulamisprosessin tarkastelun mahdollistamisessa oli, että pystyimme hyödyntämään erittäin nopeiden ja täsmällisten mittaustekniikoiden yhdistelmiä”, kertoi tutkimusta johtanut, Massachusettsin teknillisen korkeakoulun, MIT:n professori Nuh Gedik lehdistötiedotteessa.

Gedik ja hänen kollegansa käyttivät kolmen menetelmän yhdistelmää: ultranopeaa elektroniaallon muodon ”taivuttamista” (diffraktio), ohimenevää heijastuvuutta sekä aika- ja kulmakorjattua elektronispektroskopiaa (materiaalista valosähköisen ilmiön seurauksena säteilevien elektronien energian mittausta). He käyttivät alkuaine lantaanin sekä alkuaine telluurin seosta varaustiheysaallon säilömiseen.

Alle pikosekunnin kestävä laservalopulssi mallintaa niitä pikaisia olomuotomuutoksia, joita materiaalissa esiintyy. Pikosekunti on sekunnin biljoonasosa.

Yksi esimerkki nopeista olomuotomuutoksista on sammuminen: samalla tavalla kuin veteen upotettavan puolisulan ja punaisena hehkuvan metallipalan kohdalla käy.

Tieteilijöiden havaitsema prosessi eroaa arkipäiväisestä verrokistaan siltä osin, että tapa, jolla materiaalit muuttuvat asteittaisen kuumentumisen tai jäähtymisen seurauksena on toisenlainen. Tämä tapahtuu, kun materiaali pääsee lämpötilatasapainoon lämpötilavaihtelun eri vaiheissa.

”Vaikka optisesti (laservalon avulla) käynnistettyjä olomuotomuutoksia on nähty aiemminkin, on niiden täsmällinen etenemismekanismi jäänyt hämärän peittoon aikaisemmin. Kokeissa voimme katsoa ja tehdä elokuvan elektroneista sekä atomeista samalla, kun varaustiheysaalto sulaa”, selitti Gedik.

Tutkijat kykenivät vahvistamaan pyörremäisten, materiaaliin ilmaantuvien vääristymien olemassaolon ja tarkastelemaan niitä selkeästi.

He havaitsivat myös, että sulamisprosessia seuranneella jähmettymisellä ja normaalilla jähmettymisellä oli eroja: jähmettyminen ei tapahtunut yhtenäisesti, kuten normaalisti, vaan eteni usealla eri aikaskaalalla muun muassa vääristymien hajotessa.