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具有極強的材料對比度和較短的開關時間，且可忽略不計的降解的可開關材料可以為有源質子和納米光子系統做出貢獻。為了了解它們的特性，研究人員必須收集有關納米光子過程的深入知識。在目前發表在《科學進展》雜誌上的一項新研究中，德國斯圖加特大學的Julian Karst和一個科學家團隊研究了金屬鎂(Mg)到介電鎂氫化物(MgH2)的相變動力學的納米細節。該團隊利用MgH2的特徵性聲子共振，獲得了材料狀態之間前所未有的化學特異性。結果揭示了納米晶形成過程中發生的成核過程。他們測得了納米尺度上的水化物相的傳播速度，與宏觀傳播動力學相比，納米尺度上的水化物相傳播速度更快。該創新方法為設計、開發和分析可開關相轉變、儲氫和制氫材料提供了一種工程化策略，克服了有限的擴散係數，具有實質性的影響。
金屬到絕緣體相變的材料是可開關光學和納米光子系統的首要候選材料，並進行了廣泛的研究。這類材料在從金屬相向介電相過渡的過程中，可以發生極端的光學特性變化，形成高度相關的可開關光學和有源等離子體系統。在這項工作中，Karst等人選擇了鎂（Mg）作為典型的材料體系，因為它主要是在儲氫方面得到了廣泛的研究。在其初始金屬狀態下，鎂是一種優良的等離子體材料。當元素暴露於氫氣(H2)中時，會發生相變，由金屬鎂向介電鎂(二)氫化物(MgH2)發生相變，形成高度透明的介電材料。MgH 2相在全循環轉變中可逆成金屬Mg狀態。該概念使研究人員能夠控制和可逆地切換鎂納米結構的質譜共振，可用於可切換的超表面（如Mg-to-MgH2）、動態全息技術或質譜彩色顯示中的應用。
實驗中，科學家們使用了塗有2至3納米的鈀(Pd)薄膜的金網格。Pd作為催化層，使氫分子分裂，使氫分子擴散到Mg薄膜中。該團隊使用鈦（Ti）來防止Mg和Pd之間的合金化，這可能會形成氫擴散屏障。在實驗設置中，氫氣進入了自由基薄膜，而Mg仍然可以用於散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）測量。Karst等人通過掃描s-SNOM的尖端穿過暴露的Mg表面，以觀察和研究氫化物形成和氫氣擴散到薄膜中的時間動力學，並在納米解析度下觀察和研究氫化物形成和擴散到薄膜中的時間動力學。當他們將薄膜暴露在濃度為2%的氮氣（N2）中時，高反射率的金屬Mg薄膜轉變為介電性MgH2，呈現黑色。
s-SNOM測量提供了兩個主要量，即拓撲信息和相對於複雜介電函數的局部光學特性信息。然後，該團隊在s-SNOM設置中的原子力顯微鏡懸臂掃描了樣品表面的柵格掃描，以提供表面拓撲信息。解調和檢測技術允許他們獲得納米級解析度下的局部屬性信息。為了探測材料的局部特性，Karst等人用強光場照亮尖端，並注意到散射振幅受薄膜拓撲和局部特性變化的影響。然而，由於Mg（藍色）和MgH2（紅色）區域檢測到的散射相位顯示出強烈的相位對比，由於MgH2的紅外聲子特徵，與金屬區域相比，氫化區域呈現出明顯的特徵。基於這些研究結果，Karst等人通過將散射相位圖與晶界圖疊加檢查，進一步研究了獨立的Mg薄膜的氫化問題，通過將相位圖與晶界圖疊加，以可視化的方式來觀察Mg在選定的時間步驟中的原位氫吸收。
進一步的分析使研究小組能夠區分出Mg中的納米級和宏觀的氫化物相擴散動力學，從而為在單個晶粒尺度上的氫化提供了洞察力。氫在Mg薄膜中的擴散取決於材料的形態學。在每個單個晶粒後，薄膜的氫化停止，允許在下一個晶粒轉化之前有新的成核。然而，即使在氫化60分鐘後，研究小組仍然觀察到薄膜表面有大量的原始金屬Mg，這與之前關於Mg的文獻相矛盾。Karst等人將這一行為歸功於幾個因素，包括在設置中形成的阻擋層，以阻止垂直氫氣前行，這可能使表面處於原始狀態。他們還指出，氫氣曝光時薄膜形態的變化和薄膜的膨脹也是可能的促成因素。
因此，Julian Karst及其同事在實驗室中使用s-SNOM研究了納米級氫擴散動力學。基於MgH2的特徵紅外聲子共振，他們讓化學特異性跟蹤氫化物的形成、成核和橫向生長。這個過程受到Mg薄膜的納米級形態的影響很大，這也是氫氣在整個薄膜中緩慢擴散的原因。研究小組注意到，在整個薄膜切換之前，氫化過程是如何停止的，在介質MgH2中留下金屬Mg的區域。該發現對一系列使用Mg和其他過渡材料的有源光學和質子系統有直接影響。這項工作形成了一個重要的步驟，以提高和理解跨可切換材料的擴散動力學、動力學和相變效率。
論文標題為《Watching in situ the hydrogen diffusion dynamics in magnesium on the nanoscale》。