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小さな結晶の光誘発対称変化により、研究者はカスタマイズされた特性を持つ材料を作成することができます

鉛原子が一時的に新しい位置に移動すると、光にさらされると構造的な変化を起こすときの鉛硫化鉛量子ドットの芸術的イラスト。クレジット：ミドルベリーカレッジのコッツラボ。 完全に整列したブロックを備えたレゴタワーを構築することを想像してください。各ブロックは、量子ドットとして知られる小さな結晶の原子を表します。塔をぶつけると、ブロックをシフトしてその構造を変えることができるように、外力は原子を量子ドットでシフトし、その対称性を破り、その特性に影響を与える可能性があります。 科学者は、意図的に対称性の破壊、または対称性の回復を量子ドットで、ユニークな特性を持つ新しい材料を作成することができることを学びました。最近の研究では、米国エネルギー省（DOE）アルゴンヌ国立研究所の研究者は、これらの極小の構造における原子の配置を変えるために光を使用する方法を発見しました。 硫化鉛などの半導体材料で作られた量子ドットは、サイズが小さいため、独自の光学的および電子的特性で知られており、電子機器や医療イメージングなどのフィールドに革命をもたらす可能性があります。これらの量子ドットの対称性を制御する能力を活用することにより、科学者は特定の光と電気関連の特性を持つように材料を調整できます。この研究は、以前は不可能だと思っていたタスクを実行できる材料を設計するための新しい可能性を開き、革新的な技術への道を提供します。 通常、硫化鉛は、テーブル塩と同様の高い対称性を特徴とする立方系結晶構造を形成すると予想されます。この構造では、鉛と硫黄の原子は、赤と青のレゴブロックを交互にするのと同じように、非常に秩序のある格子に自分自身を配置する必要があります。 しかし、以前のデータは、鉛原子がそれらが予想される場所に正確にはないことを示唆しています。代わりに、それらはわずかに中心から外れていて、対称性が低い構造につながりました。 「対称性が変化すると、材料の特性が変化する可能性があり、まったく新しい素材のようなものです」とアルゴンヌの物理学者リチャードシャラーは説明しました。 「科学界には、通常の条件下では生み出されない物質状態を作成する方法を見つけるために、多くの関心があります。」 チームは、高度なレーザーおよびX線技術を使用して、硫化鉛量子ドットの構造が光にさらされたときにどのように変化したかを研究しました。 DOEのSLAC National Accelerator Laboratoryでは、Megaelectronvolt Ultrafast電子回折（MEV-ued）と呼ばれるツールを使用して、これらの量子ドットの挙動を信じられないほど短い時間枠で観察しました。 一方、ArgonneのDOE Scienceユーザー施設であるAdvanced Photon Source（APS）では、Beamline 11-ID-Dを使用して超高速合計X線散乱実験を実施し、タイムスケールで1億分の1秒まで一時的な構造変化を研究しました。これらのX線測定は、最近のAPSアップグレードの恩恵を受けました。これにより、以前よりも最大500倍明るい高エネルギーX線ビームが提供されます。 硫化硫化鉛量子ドット（QD）の対称制御。クレジット： 高度な材料 （2024）。 2：10.1002/adma.202414196 さらに、Argonneにある別のDOE Scienceユーザー施設のNanoscale材料センターでは、チームは、対称性が変化するときに電子プロセスがどのように変化するかを理解するために、1兆分の1秒未満の2秒未満の2秒未満の吸収測定を速く実行しました。 ArgonneとSLACのこれらの最先端の施設は、研究者が非常に高速なタイムスケールでの量子ドットの対称性と光学特性の制御についてさらに学ぶのを支援する上で重要な役割を果たしました。 最新の科学、技術、スペースを発見してください 100,000人の加入者 毎日の洞察をPhys.orgに頼っている人。無料のニュースレターにサインアップし、問題が重要なブレークスルー、イノベーション、研究の最新情報を入手してください。毎日または毎週。 これらの手法を使用して、研究者は、量子ドットが短い光のバーストにさらされると、結晶構造の対称性が無秩序な状態からより組織化された状態に変化することを観察しました。 「量子ドットが光パルスを吸収すると、励起された電子は、材料をより対称的な配置にシフトし、鉛原子が中心位置に戻ります」とAPSの物理学者であるBurak Guzelturk氏は述べています。 対称性の復帰は、量子ドットの電子特性に直接影響しました。チームは、バンドギャップエネルギーの減少に気づきました。これは、電子が半導体材料内である状態から別の状態にジャンプするために必要なエネルギーの違いです。この変化は、結晶が電気を発揮し、電界などの外力にどの程度応答するかに影響を与える可能性があります。 さらに、研究者はまた、量子ドットのサイズとその表面化学がどのように対称性の一時的な変化に影響するかを調査しました。これらの要因を調整することにより、対称性シフトを制御し、量子ドットの光学的および電子的特性を微調整できます。 「結晶構造は実際には変わらないと仮定しますが、これらの新しい実験は、光が吸収されたときに構造が常に静的ではないことを示しています」とシャラーは言いました。 この研究の調査結果は、ナノサイエンスと技術にとって重要です。軽いパルスを使用して量子ドットの対称性を変更できるため、科学者は特定の特性と機能を持つ材料を作成できます。レゴのレンガを無限の構造に変換できるように、研究者は、彼らが望む特性で量子ドットを「構築」する方法を学んでおり、新しい技術の進歩への道を開いています。 この研究の結果はに掲載されました 高度な材料。…