Vědci poprvé v reálném čase sledovali, jak se oxid uhličitý mění z ovzduší na grafit pro baterie

Vědci dosáhli významného průlomu v oblasti přeměny oxidu uhličitého (CO2) z atmosféry na pevný grafit, materiál klíčový pro výrobu baterií. Poprvé se jim podařilo v reálném čase pozorovat molekulární procesy, které probíhají během této fascinující reakce.

Vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) dosáhli významného průlomu, když poprvé v reálném čase sledovali, jak se různé elektronové fáze objevují, mizí a znovu formují uvnitř kvantového materiálu. Tento objev, který byl publikován v časopise Nature Physics, by mohl v budoucnu pomoci objasnit supravodivost a další exotické jevy.

Myšlenka, že různé fáze hmoty mohou existovat společně, se na první pohled zdá být běžná – například sklenice s ledovou vodou obsahuje jak pevný led, tak tekutou vodu. Na kvantové úrovni však materiály mohou vykazovat mnohem podivnější formu koexistence, kdy se samotné elektrony organizují do různých kolektivních vzorů v rámci téhož materiálu.

Výzkumníci studovali tritellurid erbia, vzácnou zeminu, jejíž elektrony se mohou spontánně organizovat do vlnových vzorů známých jako vlny hustoty náboje (CDW). Jejich experiment odhalil, že dvě takové elektronové fáze se nemusí nutně objevovat stejným způsobem. Jedna se vyvíjí hladce a rovnoměrně, zatímco druhá se objevuje v izolovaných oblastech, které se postupně rozšiřují. Vlna hustoty náboje si lze představit jako elektronovou krajinu, kde některé oblasti obsahují vyšší koncentraci elektronů, zatímco sousední oblasti jich mají méně. Místo toho, aby se chovaly nezávisle, velké množství elektronů koordinuje své chování a vytváří uspořádaný stav.

Tritellurid erbia je obzvláště zajímavý, protože může vyvinout dvě různé vlny hustoty náboje. První, dominantní vlna se objeví, když je materiál ochlazen na přibližně -8 °C a rozprostírá se primárně v jednom směru. Když je materiál ochlazen mnohem dále – na zhruba -113 °C – vyvine se druhá vlna kolmo k první. Výsledkem je efektivně elektronická šachovnice: dva odlišné vzory existující společně ve stejném materiálu.

Tým z MIT ochladil atomárně tenké vzorky tritelluridu erbia na přibližně -230 °C, kde mohly koexistovat obě vlny hustoty náboje. Poté použili sofistikovanou techniku pump-probe laseru. První laserový puls v podstatě fungoval jako „zatřesení“, které narušilo nebo dočasně zničilo elektronický šachovnicový vzor. Po pečlivě kontrolovaném zpoždění byl na materiál vystřelen druhý laserový puls, který z něj vyrazil elektrony. Měřením energie a hybnosti těchto emitovaných elektronů mohli vědci rekonstruovat snímky toho, co se dělo uvnitř materiálu, když se jeho elektronový řád vracel. Jinými slovy, vědci narušili systém a poté „poslouchali“, jak se zotavuje.

Experiment přinesl překvapivý výsledek. Dominantní vlna hustoty náboje se vracela postupně a rovnoměrně. I když byl materiál silně narušen, elektronový řád se plynule obnovoval po celém vzorku. Toto chování připomíná známý typ fázového přechodu známého jako přechod druhého řádu. Vědci to přirovnávají k postupné ztrátě magnetismu v materiálu při jeho zahřívání: nedochází k náhlému objevení velkých izolovaných oblastí, ale řád se mění kontinuálně. Druhá, subdominantní vlna hustoty náboje se však chovala velmi odlišně.