Den nanoskaligen Lawinen von Atomen in Kristallen lauschen

Ein kürzlich von der UNSW geleitetes Papier, veröffentlicht in Naturkommunikation präsentiert eine aufregende neue Möglichkeit, Lawinen von Atomen in Kristallen zu hören.

Die nanoskalige Bewegung von Atomen bei der Verformung von Materialien führt zur Schallemission. Dieses sogenannte Knistergeräusch ist ein skaleninvariantes Phänomen, das in verschiedenen Materialsystemen als Reaktion auf äußere Reize wie Kraft oder äußere Felder auftritt.

Ruckartige Materialbewegungen in Form von Lawinen können viele Größenordnungen umfassen und universellen Skalierungsregeln folgen, die durch Potenzgesetze beschrieben werden. Das Konzept wurde ursprünglich als Barkhausen-Rauschen in magnetischen Materialien untersucht und wird heute in verschiedenen Bereichen eingesetzt, von der Erdbebenforschung und der Baustoffüberwachung bis hin zur Grundlagenforschung mit Phasenübergängen und neuronalen Netzen.

Die neue Methode zur Messung von Knistergeräuschen im Nanomaßstab, die von Forschern der UNSW und der Universität Cambridge entwickelt wurde, basiert auf der SPM-Nanoindentation.

„Unsere Methode ermöglicht es uns, das Knistergeräusch einzelner Nanostrukturen in Materialien zu untersuchen, beispielsweise Domänenwände in Ferroelektrika“, sagt Hauptautor Dr. Cam Phu Nguyen. „Um diese Strukturen herum gibt es unterschiedliche Arten von Atomlawinen, wenn sich das Material verformt.“

Einer der faszinierendsten Aspekte der Methode ist die Tatsache, dass einzelne nanoskalige Merkmale identifiziert werden können, indem die Materialoberfläche vor dem Eindrücken abgebildet wird. Diese Differenzierung ermöglicht neue Studien, die bisher nicht möglich waren.

In einer ersten Anwendung der neuen Technologie haben die UNSW-Forscher die Methode verwendet, um Diskontinuitäten in geordneten Materialien, sogenannte Domänenwände, zu untersuchen.

„Domänenwände stehen seit einiger Zeit im Mittelpunkt unserer Forschung. Sie sind als Bausteine ​​für die Elektronik nach dem Mooreschen Gesetz äußerst attraktiv“, sagt Autor Prof. Jan Seidel, ebenfalls an der UNSW. „Wir zeigen, dass kritische Exponenten für Lawinen an diesen nanoskaligen Merkmalen verändert werden, was zu einer Unterdrückung der gemischten Kritikalität führt, die sonst in Domänen vorhanden ist.“

Aus der Perspektive von Anwendungen und neuartigen Materialfunktionalitäten stellt die Knistergeräuschmikroskopie eine neue Möglichkeit dar, fortgeschrittenes Wissen über solche Merkmale auf der Nanoskala zu generieren. Die Studie diskutiert experimentelle Aspekte der Methode und bietet einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen und Anwendungen.