Teoretycznie strukturę krystaliczną wielu materiałów da się z powodzeniem modelować za pomocą symulacji komputerowych. Problem jednak w tym, że w rzeczywistości materiały te mają w sobie wiele ziaren, defektów i niejednorodności. Co więcej, działają na niego różnego rodzaju siły. Wszystkich tych komponentów nie da się precyzyjnie modelować, szczególnie w odpowiednio małej skali. Owszem, fizykom udaje się już opisywać strukturę materiałów z dokładnością do 100 nanometrów. Z drugiej jednak strony niezwykle ciężko jest obserwować zmiany zachodzące w tej strukturze krystalicznej z odpowiednią rozdzielczością czasową. Dotychczas udawało się zejść do poziomu milisekund, co nie wystarcza do obserwowania chociażby zmian kształtu czy transferu ciepła w materiale, które zachodzą znacznie szybciej. Tutaj potrzeba dokładności rzędu mikro, a nawet nanosekund.
Teoretycznie zatem nie powinniśmy być w stanie zaobserwować fal dźwiękowych przechodzących przez materiał. Sama fala dźwiękowa przechodzi przez materiał w czasie dużo krótszym niż milisekunda.
Czytaj także: Ludzie mają zaskakująco rozwiniętą zdolność do słyszenia w wodzie. Skąd się wzięła?
Zespół naukowców z Danii i Stanów Zjednoczonych właśnie pokonał to ograniczenie. W swoim artykule naukowym opublikowanym w periodyku PNAS badacze opisali proces fotografowania fal dźwiękowych w diamencie o grubości 1 mm.
Podstawowym celem projektu badawczego było zobaczenie zmian struktury krystalicznej w trzech wymiarach w odpowiednio krótkim czasie i bez konieczności niszczenia samego kryształu. W tym celu jednak trzeba było opracować zupełnie nowe urządzenie do dokonywania pomiarów w odpowiedniej skali czasowej i całkowicie nieinwazyjnie.
Do sfotografowania fali dźwiękowej naukowcy zbudowali zupełnie nowy mikroskop, który został umieszczony na końcu długiego na 3 kilometry lasera XFEL (X-ray free-electron laser). Wyzwanie było duże. Jakby nie patrzeć naukowcy musieli wiązką laserową długą na 3 kilometry i biegnącą przez szereg soczewek trafić w próbkę diamentową o średnicy 1 mm, z nadzieją na to, że uda się dostrzec falę dźwiękową, która przechodzi przez próbkę w czasie krótszym niż milionowa część sekundy. Naukowcy musieli tak ustawić system optyczny, aby wiązka lasera optycznego i rentgenowskiego spotkały się we wnętrzu diamentu z dokładnością wyższą niż do nanosekundy. Po wielu próbach ostatecznie udało się osiągnąć wymagany poziom precyzji.
Naukowcy wskazują, że zastosowana przez nich technika nie ogranicza się do diamentów i można ją wykorzystać do badania ultraszybkich zdarzeń w budowie krystalicznej szerokiej palety materiałów, np. metamateriałach, kryształach fotonicznych, perowskitach czy materiałach termoelektrycznych. Dzięki temu technika ta może zostać wykorzystana zarówno w fizyce materii stałej, ale także w wielu naukach o Ziemi.
Zarejestrowane na filmach obrazy fal dźwiękowych zostały wykonane w odstępie zaledwie kilku pikosekund.Na nagraniach możemy zobaczyć przemieszczające się przez kryształ fale dźwiękowe, dyspersję fal, czy tłumienie fali w mikrosekundowej skali czasowej.
Powyższe nagrania wskazują na ogromne osiągnięcie: w końcu jesteśmy w stanie obserwować procesy zachodzące w strukturze krystalicznej materiału z dokładnością do mikrosekundy, tysiące razy dokładniej niż to było możliwe do tej pory.