Είναι γνωστή ως η φάση του γυαλιού Bragg – μια παράξενη, φαινομενικά παράδοξη διάταξη ατόμων σε ένα γυάλινο υλικό όπου τα σωματίδια είναι σχεδόν τόσο διατεταγμένα όσο εκείνα σε έναν τέλειο κρύσταλλο. Οι επιστήμονες δεν ήταν καν βέβαιοι ότι υπήρχε “γυαλί Bragg”, αλλά εκεί ήταν, κρυμμένο σε ένα κράμα παλλαδίου που παρεμβάλλεται ανάμεσα σε στρώματα τερβίου και τελλουρίου (Pd x ErTe 3 ).

Η ανακάλυψη, με επικεφαλής τον φυσικό Krishnanand Mallayya του Πανεπιστημίου Cornell και δημοσιεύτηκε στο Nature Physics, όχι μόνο ρίχνει φως στον τρόπο συμπεριφοράς των υλικών, αλλά δείχνει ένα ισχυρό νέο σύνολο τεχνικών για την ανίχνευση των ατομικών δομών εξωτικών υλικών.

Οι εν λόγω φάσεις έχουν να κάνουν με τον τρόπο που είναι διατεταγμένα τα άτομα και τα μόρια. Μια διατεταγμένη φάση μεγάλης εμβέλειας είναι αυτή στην οποία τα μόρια σε ένα κρυσταλλικό στερεό είναι διατεταγμένα σε ένα τακτοποιημένο, γεωμετρικό, τρισδιάστατο σχέδιο. Μια διαταραγμένη φάση είναι αυτή στην οποία τα συστατικά άτομα είναι όλα ανακατεμένα. Τα υγρά είναι διαταραγμένα με αυτόν τον τρόπο, αλλά και ορισμένα στερεά, όπως το γυαλί .

Μεταξύ αυτών των διευθετήσεων, οι φυσικοί προέβλεψαν την ύπαρξη μιας τρίτης φάσης. Αυτή είναι η φάση που ονομάζεται “γυαλί Bragg”.

Ο Mallayya και η ομάδα του σκέφτηκαν ότι θα μπορούσαν να το βρουν σε ένα υλικό που περιέχει ένα κύμα πυκνότητας φορτίου (CDW), ένα φαινόμενο που απαντάται συνήθως σε δισδιάστατα υλικά που περιγράφει την περιοδική διαμόρφωση της πυκνότητας φορτίου ενός υλικού. Σκεφτείτε το ως ένα «κύμα» στον τρόπο με τον οποίο κατανέμονται τα ηλεκτρόνια.

Για κάθε μία από τις τρεις φάσεις, το κύμα πυκνότητας φορτίου, CDW, συμπεριφέρεται διαφορετικά. Για μια μεγάλης εμβέλειας διατεταγμένη φάση, το κύμα CDW συσχετίζεται με τη δομή του υλικού και αυτό συνεχίζει επ’ αόριστον. Για μια διαταραγμένη κατάσταση, το κύμα διασπάται σε μια πεπερασμένη απόσταση. Για το “γυαλί Bragg”, η συσχέτιση καταρρέει – αλλά πιο αργά και σε μεγαλύτερη απόσταση από την άτακτη διαταραγμένη κατάσταση, φαίνεται να εξαφανίζεται μόνο σε άπειρες αποστάσεις.

«Η πρόκληση», λέει ο φυσικός Eun-Ah Kim του Πανεπιστημίου Cornell, «είναι ο εντοπισμός αυτών των διακρίσεων από πειραματικά δεδομένα που αντικατοπτρίζουν επίσης ζητήματα της πραγματικής ζωής, όπως ο θόρυβος».

Η ανίχνευση της τρίτης αυτής φάσης απαιτούσε πολλή δουλειά. Πρώτον, υπήρχε το υλικό. Το Pd x ErTe 3 μελετήθηκε προσεκτικά από επιστήμονες στο SLAC και στο Stanford πριν από αρκετά χρόνια και οι ερευνητές προσδιόρισαν ότι θα ήταν κατάλληλο για τους σκοπούς τους.

Για να διερευνήσουν τη δομή του υλικού, οι ερευνητές έστειλαν τα δείγματά τους στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne. Εκεί, το Pd x ErTe 3 βομβαρδίστηκε με ακτίνες Χ για να μετρηθεί ο τρόπος με τον οποίο το φως περιθλάστηκε από το εσωτερικό του υλικού.

Τέλος, για να διερευνήσουν και να αναλύσουν τις απόλυτες κλίσεις των δεδομένων περίθλασης ακτίνων Χ, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα εργαλείο ανάλυσης δεδομένων μηχανικής μάθησης που ονομάζεται ομαδοποίηση θερμοκρασίας ακτίνων Χ (X-TEC). Αυτό τους επέτρεψε να διερευνήσουν χιλιάδες κορυφές CDW – «η πρώτη φορά που αναλύθηκαν οι διακυμάνσεις του CDW από περισσότερες από μια χούφτα κορυφές», σημειώνουν οι ερευνητές .

Από την ασυμμετρία κορυφής του CDW, ο Mallayya και η ομάδα του ισχυρίζονται ότι εντόπισαν τελικά την ύπαρξη της γυάλινης φάσης Bragg, επιβεβαιώνοντας πειραματικά την ύπαρξή της στον πραγματικό κόσμο. Αυτό αντιπροσωπεύει σημαντική πρόοδο στην κατανόηση αυτής της άπιαστης φάσης.

Εκτός από την επιβεβαίωση των υπαρχόντων μοντέλων, οι τεχνικές τους θα πρέπει επίσης να αποδειχθούν χρήσιμες για μελλοντική έρευνα: το εργαλείο X-TEC μπόρεσε να εξάγει χαρακτηριστικά από τα δεδομένα με υψηλή ακρίβεια, με υψηλό ρυθμό, γεγονός που υπόσχεται πολλές μελλοντικές ανακαλύψεις.

“Χρησιμοποιώντας εργαλεία μηχανικής μάθησης και επιστημονικές προοπτικές δεδομένων, μπορούμε να αναζητήσουμε απάντηση σε δύσκολες ερωτήσεις”, λέει ο Kim .

Τα ευρήματα της ομάδας δημοσιεύτηκαν στο Nature Physics.

(photo: pixabay)