Utilizzando una combinazione di raggi X ad alta potenza, algoritmi di recupero di fase e apprendimento automatico, i ricercatori di Cornell hanno rivelato l’intricato nanotexture nei materiali a film sottile, offrendo agli scienziati un nuovo approccio semplificato all’analisi di potenziali candidati per l’informatica quantistica e la microelettronica, tra le altre applicazioni.
Texture su scala nanometrica, apprendimento automatico: impressione artistica. Credito immagine: Galina Nelyubova tramite Unsplash, licenza gratuita
Gli scienziati sono particolarmente interessati alle nanostrutture distribuite in modo non uniforme su una pellicola sottile perché possono conferire al materiale nuove proprietà.
Il modo più efficace per studiare le nanostrutture è visualizzarle direttamente, una sfida che in genere richiede una microscopia elettronica complessa e non preserva il campione.
La nuova tecnica di imaging dettagliata il 6 luglio nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze supera queste sfide utilizzando il recupero di fase e l’apprendimento automatico per invertire i dati di diffrazione dei raggi X raccolti convenzionalmente – come quelli prodotti alla Cornell High Energy Synchrotron Source, dove sono stati raccolti i dati per lo studio – nella visualizzazione dello spazio reale del materiale a la nanoscala.
L’uso della diffrazione dei raggi X rende la tecnica basata sull’apprendimento automatico più accessibile agli scienziati e consente l’imaging di una porzione più ampia del campione, ha affermato Andrej Singerassistente professore di scienza e ingegneria dei materiali e David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow in Cornell Engineering, che ha guidato la ricerca con il dottorando Ziming Shao.
“L’imaging di una vasta area è importante perché rappresenta il vero stato del materiale”, ha affermato Singer. “La nanostruttura misurata da una sonda locale potrebbe dipendere dalla scelta del punto sondato”.
Un altro vantaggio del nuovo metodo basato sull’apprendimento automatico è che non richiede la rottura del campione, consentendo lo studio dinamico di film sottili, come l’introduzione della luce per vedere come si evolvono le strutture.
“Questo metodo può essere facilmente applicato per studiare le dinamiche in situ o operando”, ha detto Shao. “Ad esempio, abbiamo in programma di utilizzare il metodo per studiare come la struttura cambia entro picosecondi dopo l’eccitazione con brevi impulsi laser, il che potrebbe consentire nuovi concetti per le future tecnologie terahertz”.
La tecnica è stata testata su due film sottili, il primo dei quali aveva una nota nanostruttura utilizzata per convalidare i risultati dell’imaging.
Dopo aver testato un secondo film sottile, un isolante Mott con fisica associata alla superconduttività, i ricercatori hanno scoperto un nuovo tipo di morfologia che non era mai stato osservato prima nel materiale: un nanopattern indotto dalla deformazione che si forma spontaneamente durante il raffreddamento a temperature criogeniche.
“Le immagini vengono estratte senza una conoscenza preliminare”, ha detto Shao, “potenzialmente stabilendo nuovi parametri di riferimento e informando nuove ipotesi fisiche nella modellazione del campo di fase, nelle simulazioni di dinamica molecolare e nei calcoli di meccanica quantistica”.
Fonte: Università Cornell
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