Piyasadaki en gelişmiş dijital kameraların bir fotoğraf çekmek için deklanşörlerini saniyenin yaklaşık dört binde biri kadar bir süre açık tuttuklarını biliyoruz. Ancak atomların hareketlerini yakalamak istediğinizde, bundan çok daha hızlı bir deklanşöre ihtiyacınız var.
Bilim insanları, tam da bu ihtiyaca yönelik olarak, saniyenin sadece trilyonda biri kadar kısa bir sürede çekim yapabilen, yani normal dijital kameralardan 250 milyon kat daha hızlı bir görüntüleme tekniği geliştirdi. Bu inanılmaz hız, malzeme biliminde çok önemli bir olguyu yakalamayı mümkün kılıyor: dinamik düzensizlik.
Basitçe ifade etmek gerekirse dinamik düzensizlik, bir malzemenin içindeki atom kümelerinin, örneğin bir titreşim veya sıcaklık değişimiyle tetiklenerek belirli bir süre boyunca özel şekillerde hareket etmesi, adeta dans etmesi anlamına geliyor. Henüz tam olarak anlaşılamamış olsa da bu olgu, malzemelerin özelliklerini ve tepkimelerini derinden etkiliyor.
Bu süper hızlı görüntüleme sistemi, dinamik düzensizlikte neler olup bittiğine dair çok daha derinlemesine bilgi sağlıyor. Araştırmacılar, bu yeni tekniği "değişken deklanşörlü atomik çift dağılım fonksiyonu" veya kısaca vsPDF olarak adlandırıyor.
Bu yeni vsPDF aracı sayesinde malzemelerin bu gizli yönünü gerçekten görebiliyoruz. Bu teknikle bir malzemeyi izleyip hangi atomların bu "dansta" yer aldığını, hangilerinin ise hareketsiz kaldığını ayırt etmek mümkün hale geliyor.
Daha hızlı bir deklanşör hızı, zamanın daha kesin bir anlık görüntüsünü yakalar. Bu da hızla titreşen atomlar gibi çok hızlı hareket eden nesneler için oldukça önemlidir. Örneğin, bir spor müsabakasında düşük deklanşör hızı kullanırsanız, karede bulanık oyuncular görürsünüz.
vsPDF, bu şaşırtıcı derecede hızlı çekimi başarmak için geleneksel fotoğrafçılık teknikleri yerine nötronları kullanıyor. Nötronların bir malzemeye çarpma ve içinden geçme şekli takip edilerek çevreleyen atomların konumu ölçülebiliyor. Enerji seviyelerindeki değişiklikler ise deklanşör hızı ayarlamalarına benzetilebilir.
Saniyenin trilyonda biri hızının yanı sıra, bu deklanşör hızındaki çeşitlilik de büyük önem taşıyor. Bu değişkenlik, dinamik düzensizliği, onunla ilişkili ancak farklı bir olgu olan statik düzensizlikten (atomların yerinde normal arka plan titreşimi) ayırt etmek için hayati öneme sahip.
Bu teknik, karmaşık malzemelerde neler olup bittiğinin karmaşıklığını çözmek için yepyeni bir yol sunuyor ve malzemelerin özelliklerini güçlendirebilecek gizli etkileri ortaya çıkarıyor.
Araştırmacılar, bu çalışmada nötron kameralarını germanyum tellürid (GeTe) adı verilen bir malzemeye odakladılar. GeTe, belirli özellikleri nedeniyle atık ısıyı elektriğe veya elektriği soğutmaya dönüştürmek için yaygın olarak kullanılan bir malzeme.
Kamera, GeTe'nin tüm sıcaklıklarda ortalama olarak kristal yapısını koruduğunu ortaya çıkardı. Ancak daha yüksek sıcaklıklarda, atomların termal enerji alışverişi yaptığı daha fazla dinamik düzensizlik sergilediği gözlemlendi. Bu hareketlilik, malzemenin kendiliğinden oluşan elektrik polarizasyonunun yönüyle eşleşen bir eğilim gösteriyordu.
Bu fiziksel yapıları daha iyi anlamak, termoelektrik malzemelerin nasıl çalıştığına dair bilgimizi artırıyor. Bu da, örneğin güneş ışığının olmadığı zamanlarda Mars gezginlerine güç sağlayan cihazlar gibi daha iyi malzemeler ve ekipmanlar geliştirmemizi sağlıyor.
Yeni kamera tarafından yakalanan gözlemlere dayanan modeller aracılığıyla, bu malzemeler ve süreçler hakkındaki bilimsel anlayış geliştirilebilir. Ancak vsPDF'nin yaygın olarak kullanılan bir test yöntemi haline gelmesi için hala yapılması gereken çok iş var.
Araştırmacılar, bu vsPDF tekniğinin, enerji malzemelerindeki yerel ve ortalama yapıları anlamak için standart bir araç haline geleceğini öngörüyorlar.
