อะตอม “หนักมาก” สามารถเคลื่อนย้ายควอนตัมด้วยกลไกภายในวัสดุผลึกที่อุณหภูมิแช่แข็ง ผลลัพธ์นี้จากนักวิจัยในญี่ปุ่น ฝรั่งเศส และสหราชอาณาจักร ขัดแย้งกับแนวคิดทั่วไปที่ว่ามีเพียงอะตอมของไฮโดรเจนหรือฮีเลียมเท่านั้นที่เบาพอที่จะเคลื่อนย้ายผ่านวัสดุในลักษณะนี้ การศึกษาซึ่งดำเนินการกับกลุ่มข้อบกพร่องที่มีทังสเตนประมาณ 100 อะตอม (มวลอะตอม 184) แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าในความเข้าใจของเรา
เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของข้อบกพร่องที่อุณหภูมิต่ำ
และอาจนำไปสู่การประยุกต์ใช้ใหม่ในวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม คริสตัลที่สมบูรณ์แบบเป็นแนวคิดทางทฤษฎีล้วนๆ คริสตัลในโลกแห่งความเป็นจริงมีข้อบกพร่องที่สามารถลดคุณสมบัติทางกลของวัสดุที่เกิดขึ้นได้อย่างรุนแรง การทำความเข้าใจวิธีที่ข้อบกพร่องเหล่านี้แพร่กระจายและโต้ตอบจึงมีความสำคัญสำหรับกระบวนการที่หลากหลายในด้านวัสดุศาสตร์และโลหะวิทยา รวมถึงการผสม การตกตะกอน และการแปลงเฟส
ข้อบกพร่องถูกผูกมัดกับสิ่งที่เรียกว่าศูนย์ดักจับแบบสถิต (มักเป็นอะตอมของสิ่งสกปรกภายในคริสตัล) ดังนั้นจึงจำเป็นต้อง “ดักจับ” ก่อนจึงจะสามารถเดินทางได้ สำหรับธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนหรือฮีเลียม คิดว่าการดักกับดักจะเกิดขึ้นโดยการกระตุ้นด้วยความร้อน และอัตราการแพร่ของข้อบกพร่องมักจะเป็นไปตามกฎของ Arrhenius ซึ่งเป็นกฎเชิงประจักษ์ที่มีอายุนับศตวรรษซึ่งอธิบายว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีแปรผันตามอุณหภูมิอย่างไร ในวัสดุที่อุณหภูมิต่ำมาก กฎของ Arrhenius บอกเป็นนัยว่าการขนส่งข้อบกพร่องของอะตอมหนักนั้นช้ามากและอาจถึงกับ “แช่แข็ง”
การทดลองโดยทีมนักวิจัยที่Shimane University , Nippon Steel , Nagoya UniversityและOsaka Universityในญี่ปุ่นCEAและCNRSในฝรั่งเศส และUniversity of LeedsและCulham Center for Fusion Energyในสหราชอาณาจักรได้หันความคิดนี้ไปที่หัวแล้ว ทีมวิจัยได้ศึกษาข้อบกพร่องประเภทหนึ่งที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมส่วนเกินประเภทเดียวกันกับอะตอมที่ประกอบเป็นโครงผลึกของวัสดุวางผิดที่ภายในกองปกติ “อะตอมคั่นระหว่างหน้า” (SIA) เหล่านี้ทำให้เกิดการบิดเบือนและความเครียดในโครงสร้างตาข่าย และนักวิจัยได้ศึกษาว่ากลุ่มของพวกมันเคลื่อนที่ผ่านตัวอย่างทังสเตนที่อุณหภูมิแช่แข็งอย่างไร
ทีมงานได้สร้างทั้งข้อบกพร่องและตำแหน่งว่างของ SIA
นั่นคือไซต์ขัดแตะที่มีอะตอม “หายไป” ซึ่งเป็นคู่ของ SIA โดยการฉายรังสีทังสเตนด้วยลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง (2000 keV) ที่ 105 K จากนั้นพวกเขาก็มีอายุ ตัวอย่างที่ 300 K ซึ่งทำให้คลัสเตอร์ SIA สามารถเกิดนิวเคลียส เติบโตเป็นขนาดนาโนเมตร และผูกมัดกับศูนย์ดักจับ
ที่อุณหภูมิเหล่านี้ นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าข้อบกพร่องนั้นไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ทางความร้อนและยังคงกระจายตัวไปทั่วตัวอย่าง ขั้นตอนต่อไปคือการส่องสว่างตัวอย่างด้วยลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ (100-1000 keV) พลังงานของลำแสงที่สองนี้ต่ำเกินไปที่จะสร้าง SIA เพิ่มเติม แต่สูงพอที่จะเคลื่อนย้ายตำแหน่งงานว่างด้วยความร้อนและทำให้กลุ่ม SIA ที่ติดอยู่นั้นหลุดออกจากกับดัก การดักจับนี้สามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้กลไกทางความร้อนและกลไกควอนตัม
การขนส่งควอนตัมของข้อบกพร่องหนัก
โดยการวัดความถี่การเคลื่อนที่ของกลุ่มโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดในแหล่งกำเนิด นักวิจัยกล่าวว่าพวกเขาสามารถแยกความแตกต่างระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างหมดจดและการเคลื่อนไหวที่เกิดจากกระบวนการทางกลควอนตัม พวกเขาพบว่าการดักจับข้อบกพร่องโดยใช้ควอนตัมช่วยทำให้เกิดอัตราการแพร่ที่อุณหภูมิต่ำซึ่งมีลำดับ
ความสำคัญสูงกว่ากฎของอาร์เรเนียส
ผู้เขียนนำการศึกษา Kazuto Arakawa กล่าวว่า “ผลของเราแสดงให้เห็นว่าการขนส่งควอนตัม แม้จะมีข้อบกพร่องอย่างหนัก แต่ก็มีความโดดเด่นต่ำกว่าประมาณหนึ่งในสามของอุณหภูมิ Debye (ซึ่งเป็นอุณหภูมิโดยประมาณที่ต่ำกว่าซึ่งอาจสังเกตผลของควอนตัมได้)” ผู้เขียนนำการศึกษาKazuto Arakawaกล่าว เขาอธิบายว่าพฤติกรรมนี้เกิดจากการหาปริมาณการสั่นสะเทือนของอะตอมของผลึกตาข่าย การสั่นสะเทือนเชิงปริมาณเหล่านี้เรียกว่า phonons ทำให้เกิดความผันผวนแบบสุ่มของวัตถุที่ตัวเองหนักเกินกว่าจะเคลื่อนที่ด้วยกลไกควอนตัม ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่มีแนวโน้มว่าจะเป็นจริงสำหรับการขนส่งข้อบกพร่องที่อุณหภูมิต่ำในวัสดุที่เป็นผลึกส่วนใหญ่
การค้นพบครั้งใหม่นี้จะส่งผลกระทบต่อสาขาต่างๆ ในสาขาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม ไม่ว่ากระบวนการที่อุณหภูมิต่ำที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งหรือการแพร่กระจายที่บกพร่องนั้นมีความสำคัญก็ตาม Arakawa กล่าว คำว่า “อุณหภูมิต่ำ” มีความสัมพัทธ์ ตัวอย่างเช่น เบริลเลียมมีอุณหภูมิ Debye 1280 K ดังนั้นแม้ที่อุณหภูมิห้อง การแพร่กระจายของข้อบกพร่องของเบริลเลียมก็น่าจะเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมอย่างเด่นชัด กราไฟนอยด์ระดับโมเลกุลทำให้ศูนย์กลางการหมุนที่สอดคล้องกัน
การพัฒนาวัสดุสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
Arakawa เชื่อว่าผลลัพธ์ของทีมอาจมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจและพัฒนาโครงสร้างจุลภาคที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีรังสีและ/หรือการกระแทกทางกลในระดับสูง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ทำให้เกิดข้อบกพร่องขึ้น นอกจากนี้ยังอาจเกี่ยวข้องในกระบวนการต่างๆ เช่น การฉายรังสีของเซมิคอนดักเตอร์และตัวนำยิ่งยวด ซึ่งข้อบกพร่องจะถูกสร้างขึ้นโดยเจตนาเพื่อจัดการกับคุณสมบัติของวัสดุ สุดท้าย Arakawa คิดว่าสามารถปูทางสำหรับเทคนิคการแปรรูปวัสดุที่ใช้ประโยชน์จากการขนส่งด้วยควอนตัมช่วยและปฏิกิริยาระหว่างข้อบกพร่องที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน นับประสาความสำเร็จเพียงอย่างเดียว
งานนี้อาจส่งผลในวงกว้างยิ่งขึ้นไปอีก เขากล่าวเสริม จนถึงปัจจุบัน การสังเกตการขนส่งปรมาณูส่วนใหญ่ในผลึกที่อุณหภูมิแช่แข็งถูกตีความโดยใช้กฎของอาร์เรเนียส ข้อเท็จจริงที่ว่าข้อบกพร่องหนักๆ เคลื่อนที่เร็วกว่าที่คาดไว้ที่อุณหภูมิต่ำเหล่านี้ แสดงให้เห็นว่าชุมชนวัสดุศาสตร์อาจต้องทบทวนและตีความการทดลองที่อุณหภูมิต่ำครั้งก่อนๆ อีกครั้ง
“การสังเกตแบบคลาสสิกที่ทำที่อุณหภูมิการแช่แข็ง – ตัวอย่างเช่นการกู้คืนความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุที่สัมผัสกับการฉายรังสีใกล้ศูนย์สัมบูรณ์หรือการศึกษาแรงเสียดทานภายในที่อุณหภูมิต่ำ – ตอนนี้สามารถวิเคราะห์ได้ด้วยแสงใหม่ทั้งหมด” Arakawa กล่าว
Credit : aioproductions.net americanhovawartclub.com asdcarlopoletti.com askdrwang.com benamatirecruiter.com blisterama.info bobosbigtopbabes.com bookbrouser.com brandrecoveryseries.com burberryoutletshoponline.net
