Günümüzün en iyi dijital kameraları, bir fotoğraf çekmek için en iyi ihtimalle saniyenin dört binde biri kadar bir sürede deklanşörlerini açar. Peki, atomik düzeydeki olayları kaydetmek için ne kadar hızlı bir deklanşöre ihtiyaç duyulur?
Bu sorunun cevabı, bilim insanlarının 2023 yılında geliştirdiği bir teknoloji ile yanıt buldu. Bu yeni yöntemle, saniyenin sadece trilyonda biri kadar bir sürede çekim yapılabiliyor. Bu, bilinen dijital kameralardan 250 milyon kat daha hızlı bir hız demek. Bu inanılmaz hız, malzemeler biliminde büyük önem taşıyan bir olguyu, yani 'dinamik düzensizliği' yakalamayı mümkün kılıyor.
Basitçe ifade etmek gerekirse dinamik düzensizlik, bir malzemenin içindeki atom kümelerinin belirli bir süre zarfında, örneğin bir titreşim veya sıcaklık değişimiyle tetiklenerek özel şekillerde hareket ettiği ve dans ettiği bir durumdur. Henüz tam olarak anlaşılamamış bir olgu olsa da, malzemelerin özellikleri ve tepkimeleri üzerinde kritik bir role sahiptir.
Bu süper hızlı deklanşör sistemi, dinamik düzensizliğin işleyişine dair bize çok daha fazla içgörü sunuyor. Araştırmacılar, bu icatlarına 'değişken deklanşör atom çifti dağılım fonksiyonu' (variable shutter atomic pair distribution function) adını veriyor ve kısaca vsPDF olarak adlandırıyorlar.
Bu yeni vsPDF aracı sayesinde, malzemelerin bu yönünü gerçekten görebiliyoruz. Bu teknikle bir malzemeyi izleyip hangi atomların bu dansın içinde olduğunu ve hangilerinin dışarıda kaldığını görebileceğiz.
Daha hızlı bir deklanşör hızı, zamanın daha hassas bir anlık görüntüsünü yakalar. Bu, hızla titreşen atomlar gibi hızlı hareket eden nesneler için oldukça faydalıdır. Örneğin, bir spor müsabakasının fotoğrafını düşük deklanşör hızıyla çekerseniz, sonuç bulanık oyuncular olacaktır.
Bu şaşırtıcı derecede hızlı çekimi gerçekleştirmek için vsPDF, geleneksel fotoğrafçılık teknikleri yerine atomların konumunu ölçmek için nötronları kullanıyor. Nötronların bir malzemeye çarpma ve içinden geçme şekli takip edilerek çevreleyen atomlar ölçülüyor ve enerji seviyelerindeki değişimler, deklanşör hızı ayarlarına eşdeğer oluyor.
Bu deklanşör hızı varyasyonları, saniyenin trilyonda birine ulaşan hız kadar önemli. Çünkü bu hızlar, dinamik düzensizliği, atomların sadece kendi yerinde yaptığı ve malzemenin işlevini artırmayan normal arka plan titremesi olan istatistiksel düzensizlikten ayırt etmek için hayati önem taşıyor.
Bu gelişme, karmaşık malzemelerin içinde neler olup bittiğinin karmaşıklıklarını çözmek ve özelliklerini güçlendirebilecek gizli etkileri ortaya çıkarmak için bize yepyeni bir yol sunuyor.
Bu çalışmada, araştırmacılar nötron kameralarını, ısıyı elektriğe veya elektriği soğutmaya dönüştürmek için özel özellikleri nedeniyle yaygın olarak kullanılan germanyum tellür (GeTe) adlı bir malzeme üzerinde denediler. Kamera, GeTe'nin tüm sıcaklıklarda ortalama olarak bir kristal yapısını koruduğunu ortaya koydu. Ancak yüksek sıcaklıklarda daha fazla dinamik düzensizlik sergiledi. Atomlar, malzemenin kendiliğinden elektrik polarizasyonunun yönüyle eşleşen bir gradyanı takip ederek ısı enerjisine dönüştü.
Bu fiziksel yapıların daha iyi anlaşılması, termoelektriklerin nasıl çalıştığına dair bilgimizi geliştirerek, örneğin güneş ışığının olmadığı durumlarda Mars araçlarını çalıştıran cihazlar gibi daha iyi malzemeler ve ekipmanlar geliştirmemize olanak tanıyor.
Yeni kamera ile elde edilen gözlemlere dayalı modeller aracılığıyla, bu malzemeler ve süreçler hakkındaki bilimsel anlayış geliştirilebilir. Ancak vsPDF'i yaygın olarak kullanılan bir test yöntemi haline getirmek için hala yapılması gereken çok iş var.
Araştırmacılar, makalelerinde, “Burada açıklanan vsPDF tekniğinin, enerji malzemelerindeki yerel ve ortalama yapıları uzlaştırmak için standart bir araç haline geleceğini öngörüyoruz” açıklamasını yaptı. Araştırma, Nature Materials dergisinde yayımlandı.
