Для развития фотоэмиссионной орбитальной томографии (POT) исследователи предложили простой, недорогой и надежный метод «PhaseLift POT», который позволяет 3D-реконструкцию 3D-молекулярных орбиталей за один экспериментальный запуск, а также повышает точность и шумоустойчивость традиционных методов. ГОРШОК. Фото: Каори Ники из Университета Тиба, Япония.

Открытия и прогресс в области материаловедения часто закладывают основу для технологических прорывов, которые меняют многие промышленные и коммерческие области, включая медицину, бытовую электронику и производство энергии, и это лишь некоторые из них.

Тем не менее, развитие экспериментальных методов играет решающую роль в исследовании новых материалов, прокладывая путь к революционным открытиям. Эти методы позволяют ученым углубляться в химические и физические свойства материалов, открывая понимание, необходимое для реализации их потенциального применения.

В недавнем исследовании опубликовано в Журнал физической химии АИсследовательская группа под руководством доцента Каори Ники из Университета Тиба, Япония, сообщила о новой методологии экспериментальной визуализации молекулярных орбиталей (МО) — распределения и состояния электронов в данной молекуле.

Их последняя статья, которая была представлена ​​29 сентября 2023 г. и опубликована в Интернете 26 марта 2024 г., была написана в соавторстве с Реной Асано и профессором Манабу Хагиварой из Университета Тиба, профессором Ёичи Ямадой из Университета Цукубы и профессором Кадзуши Мимура из Городского университета Хиросимы.

Предлагаемый метод основан на фотоэмиссионной орбитальной томографии (ПОТ). Этот метод заключается в измерении распределения и импульса электронов, высвобождаемых вокруг материала после поглощения энергии падающего света. Сопоставляя эти переменные, можно теоретически определить МО материала.

Несмотря на свою многообещаемость, традиционный POT сталкивается с рядом проблем, которые значительно ограничивают его применимость. Во-первых, необходимы несколько раундов измерений POT, чтобы исследовать материал при разных энергиях фотонов и восстановить трехмерные МО. Это требует времени и сложных экспериментальных протоколов.

Во-вторых, чтобы правильно объяснить различия в ориентации молекул и деформациях в данном материале, необходимо комбинировать POT с другими аналитическими методами, что довольно дорого и утомительно. В-третьих, традиционные методы POT чувствительны к шуму в измеренных данных, что затрудняет наблюдение небольших МО.

Чтобы устранить все эти ограничения, команда профессора Ники разработала новую технику POT, основанную на инструменте математического анализа, называемом алгоритмом PhaseLift. Этот алгоритм предназначен для решения фундаментальной проблемы обработки сигналов и изображений: восстановления сигнала или изображения на основе неполных или косвенных измерений.

Используя PhaseLift, исследователи упростили карты импульса фотоэлектронов (PMM), полученные с помощью POT, в более удобную форму, что, в свою очередь, позволило им более легко и точно рассчитать желаемые МО.

Одним из ключевых преимуществ предлагаемого подхода является то, что точные МО могут быть получены из одного набора измерений PMM. Более того, он намного лучше справляется с зашумленными данными. Частично это происходит благодаря умелому использованию методов, основанных на разреженности, которые ограничивают пространство, в котором решения МО считаются только наиболее важными молекулярными орбиталями.

Как теоретический анализ, так и экспериментальные испытания подтвердили действенность этого инновационного метода, продемонстрировав его потенциал. «Это исследование было результатом сотрудничества математиков, теоретиков информации и ученых-физиков, в нем, в частности, участвовали как экспериментаторы, так и теоретики», — объясняет профессор Ники.

«Используя их опыт, мы добились успешных междисциплинарных исследований в области синтеза. Этот совместный подход позволил нам преодолеть предыдущие проблемы и разработать метод POT, который обещает более широкую доступность и применимость», — добавила она.

Используя предложенную технику, ученым будет легче визуализировать электронные состояния молекул в тонкопленочных материалах. В свою очередь, это поможет лучше понять происхождение любых соответствующих физических свойств, что приведет к разработке новых интеллектуальных материалов и дальнейшим инновациям в прикладной науке.

«Наш разработанный метод представляет собой прорыв в визуализации электронных состояний материалов, которые раньше было сложно наблюдать», — заявляет профессор Ники.

Признавая огромный потенциал, который предлагает POT на основе PhaeLift, профессор Ники и его команда надеются стать пионерами в этой новой области исследований. «В ожидании глобального распространения ПММ я надеюсь, что мы сможем создать центр, специализирующийся на анализе ПММ, раньше остального мира», – говорит она.

«Мы надеемся, что этот основной институт станет центром инноваций, стимулируя разработку множества новых материалов, которые будут поддерживать японскую экономику в течение следующих полувека».

Предоставлено Университетом Тиба

Источник: PHYS.org