超高速シャッタースピードの中性子カメラを開発
 そのカメラは、一瞬という言葉では足りないほどの一瞬で原子の動きをとらえることができる。そのシャッタースピードは1兆分の1秒だ。

 太陽光による発電や廃熱による発電など、持続可能なエネルギーに優れた性能を発揮する材料では、原子が集団で動くことがわかっている。

 今回開発された「可変シャッターPDF」は、その「動的乱れ(dynamic disorder)」と呼ばれる現象を撮影することができる。

 動的乱れを理解することで、固体冷蔵庫やヒートポンプ、車や発電所の排ガスを利用した発電、放射性プルトニウムの熱を電気に変換する火星ローバー用発電機など、よりエネルギー効率の高い装置を開発できると期待できるそうだ。
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素早い原子の動きを観察するための技術

 持続可能エネルギーに使われる材料では、まるで生き物が”ダンス”でもしているかのように振る舞うことがある。そうした材料の反応や変化は、予測できない驚くべきものだ。

 だが、こうした動的乱れを研究するのは難しい。それを引き起こす原子のまとまり(原子クラスター)はとても小さく無秩序で、しかも時間とともに変化するからだ。

 これにくわえて、原子の動きが原因ではない「静的乱れ(static disorder)」というものもある。

 これは材料の性能を引き上げてくれる特徴ではないが、これまでのカメラでは動的乱れと静的乱れを区別することはできなかった。
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photo by iStock

中性子で原子の位置を見る、1ピコ秒の超高速シャッター

 だが米ブルックヘブン国立研究所や仏ブルゴーニュ大学をはじめとする研究チームが開発した中性子カメラなら、その違いまでしっかり撮影することができる。

 『Nature Materials』(2023年2月20日付)で紹介されている「可変シャッターPDF(Pair Distribution Function)」は、普通のカメラとは違い、中性子で原子の位置を見る。

 そのシャッタースピードは1ピコ秒。すなわち1兆分の1秒だ。

 「材料のこの側面を見られるのは、新開発の可変シャッターPDFだけです」と、ブルックヘブン国立研究所のサイモン・ビリンジ教授は話す。

 それは複雑素材の特性を生み出している複雑さを観察するまったく新しい方法で、動く原子と動かない原子をはっきり区別できる。
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シャッタースピードが遅ければ、原子構造はぼやけてしか見えない。1ピコ秒の超高速シャッターならそれを鮮明にとらえることができる / image credit:Credit: Jill Hemman / ORNL, U.S. Dept. of Energy

原子の”動き”のメカニズム解明に迫る

 今回の研究では、可変シャッターPDFを使って「一テルル化ゲルマニウム(GeTe)」の原子の対称性が崩れていることを発見している。

 GeTeは、廃熱を電気に変換(あるいは電気で冷却)するのに重要な熱電材料だ。その原子が移動する様子や速さが観察されたのは史上初めてのことであるそうだ。

 こうした可変シャッターPDFの観察結果から、GeTeなどに局所的な揺らぎが生まれるメカニズムに関する新理論が提唱されている。

 このような原子のダンスを理解することは、より優れた材料の発見にもつながるという。

 研究チームの今後のテーマは、この技術をもっと使いやすくして、動的乱れがあるさまざまな系に応用することだそうだ。

 今後さらにカメラの改良が進めば、バッテリーの電極に使われるリチウムや太陽光による水分解など、原子の力学が大切な働きをしているさまざまな材料系を調べる標準的な観察手段になると期待できるとのことだ。

References:New 'camera' with shutter speed of 1 trillionth of a second sees through dynamic disorder of atoms / written by hiroching / edited by / parumo
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コメント

1

1. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 19:02
  • ID:1GgMZzJ40 #

不確定性原理はどうなっているのかしら?

2

2. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 19:20
  • ID:61ep1VG.0 #

>>1
見て見ぬふりしてました とさ

3

3. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 19:21
  • ID:Rzq1n5iW0 #

ピコて(´・ω・`)

4

4. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 20:04
  • ID:EjOHZC7.0 #

>>1
観測できないから不確定性だったわけで、実際に観測できるようになると事態は変わるのでは?
ひょっとすると量子力学に革命をもたらすかも。

このシャッタースピードなら、光速を超える粒子があるならそれを捉えることができるかも。

5

5. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 20:16
  • ID:61ep1VG.0 #

時間とは概念にすぎないから?

6

6. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 20:39
  • ID:H0HUuSrD0 #

キッズコンピュータ(´・ω・`)

7

7. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 20:58
  • ID:dMyztZzE0 #

ペンパイナッポーアッポーペン!

8

8. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 22:09
  • ID:IyY9i.Rb0 #

既に1兆どころか10兆フレームの超光速カメラはあるし、原子どころか光子も観測されているよ

10兆fpsのハイスピードカメラで光が進む瞬間を撮影
世界最速カメラ、10兆フレーム/秒で時間を凍結して超高速現象

開発元のcaltechは、これから100兆フレームの開発に取り組むとのこと。

9

9. 匿名処理班

  • 2023年03月13日 22:36
  • ID:9wRkW6Bg0 #

このスピードで東京から博多まで走ったら一瞬でついて
中にいる人はよくわからん物体になるな

10

10. 匿名処理班

  • 2023年03月14日 00:41
  • ID:Ixa2RGm20 #

これノーベル賞取るんちゃう?

11

11. 匿名処理班

  • 2023年03月14日 05:50
  • ID:.HuoTKaN0 #

で、PDFで撮影したその画像をPDFで保存するんですね、わかりますw

12

12. 匿名処理班

  • 2023年03月14日 11:51
  • ID:Z8IywsnP0 #

可変シャッター.pdf

13

13. 匿名処理班

  • 2023年03月14日 12:27
  • ID:BobiIT6Y0 #

>>4
光の速度は定義上では「真空中に約30万km/s進める」なので一兆分の1でも光は300ミクロン進めるのです
でも、凄い細かそうな数値ですけど、お手持ちのPCやスマホに使われているCPU内部の配線幅よりもかなり広い距離です…

14

14. 匿名処理班

  • 2023年03月14日 15:28
  • ID:68X7OsmK0 #

この研究は、原子レベルの物を止まってるかのように撮影できた事が凄いんじゃないかな?
常温なら物は常に運動してて普通はブレて撮れるみたいな事書いてあるよね?

15

15. 匿名処理班

  • 2023年03月14日 20:30
  • ID:Fk.sPme80 #

これで脳の活動をリアルタイムで観察できる
と思ったけど中性子じゃダメか

16

16.

  • 2023年03月15日 00:37
  • ID:ALrQJ5TE0 #
17

17. 匿名処理班

  • 2023年03月15日 04:45
  • ID:YJpbkrw10 #

量子力学の分野でも神がサイコロを振らなくなる可能性があるのか

18

18. 匿名処理班

  • 2023年03月15日 11:36
  • ID:.H.jdqKf0 #

>>17
元々神様はサイコロを振らないよ…
ただ宇宙でも量子力学内でもアインシュタインが求めていた(神の)法則がある世界に近づいてきた可能性があるのは事実

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