Новый метод спектроскопии выявил динамику ускоренной релаксации в сжатом церии

7 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

Центр перспективных исследований науки и технологий высокого давления

Главным камнем преткновения в нашем понимании стекла и его явлений является неуловимая связь между динамикой релаксации и структурой стекла. Команда под руководством доктора Цяоши Цзэна из HPSTAR недавно разработала новый метод широкоугольной корреляционной рентгеновской спектроскопии рентгеновских фотонов in situ, позволяющий исследовать динамику релаксации на атомном уровне в системах металлического стекла при экстремальных давлениях. Исследование опубликовано в Трудах Национальной академии наук (PNAS).

Металлические стекла (МГ), обладающие многими свойствами, превосходящими как обычные металлы, так и стекла, были в центре внимания исследований во всем мире. Будучи термодинамически метастабильными материалами, такими как типичные стекла, MG постоянно самопроизвольно переходят в более стабильные состояния посредством различных релаксационных динамических состояний.

Такое релаксационное поведение оказывает существенное влияние на физические свойства МГ. Тем не менее, до сих пор возможности ученых углубить понимание динамики релаксации стекла и особенно ее связи с атомными структурами были ограничены доступными методами.

«Благодаря недавним достижениям в синхротронной рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопии (XPCS) стало возможным измерение коллективных движений частиц стеклообразных образцов с высоким разрешением и широким охватом во временной шкале, и, таким образом, различные микроскопические динамические процессы, которые иначе были бы недоступны. исследовали в очках», — сказал доктор Цзэн.

«Однако изменение в атомных структурах было незначительным в предыдущих измерениях процесса релаксации, что все еще затрудняет исследование взаимосвязи между структурой и поведением релаксации. Чтобы преодолеть эту проблему, мы решили использовать высокое давление, поскольку оно может эффективно изменять структуру. из различных материалов, в том числе MG."

С этой целью команда разработала широкоугольный синхротрон высокого давления XPCS для исследования MG-материала на основе церия во время сжатия. Широкоугольная XPCS под высоким давлением in situ показала, что коллективное движение атомов сначала замедляется, как обычно и ожидалось с увеличением плотности. Затем, что противоречит интуиции, он ускоряется при дальнейшем сжатии, демонстрируя необычный немонотонный переход динамики устойчивой релаксации, вызванный давлением, при ~ 3 ГПа.

Более того, объединив эти результаты с синхротронной рентгеновской дифракцией при высоком давлении in situ, аномалия динамики релаксации тесно коррелирует с резкими изменениями в локальных атомных структурах во время сжатия, а не монотонно масштабируется либо с плотностью образца, либо с общим уровнем напряжения.

«С увеличением плотности атомам в стеклах обычно становится труднее перемещаться или рассеиваться, что замедляет динамику их релаксации. Это то, что мы обычно ожидаем от гидростатического сжатия», — объяснил доктор Цзэн.

«Таким образом, немонотонное релаксационное поведение, наблюдаемое здесь в MG на основе церия под давлением, весьма необычно, что указывает на то, что помимо плотности важную роль в динамике релаксации стекла могут также играть структурные детали», — объяснил доктор Цзэн.

Эти результаты показывают, что существует тесная связь между динамикой релаксации стекла и атомными структурами в МГ. Методика, разработанная здесь группой доктора Цяоши Цзэна, также может быть расширена для изучения взаимосвязи между динамикой релаксации и атомными структурами в различных стеклах, особенно в тех, которые значительно настраиваются за счет сжатия, что открывает новые возможности для изучения динамики релаксации стекла в экстремальных условиях.