科學(xué)家們開發(fā)了一種技術(shù)來制作原子電影，展示量子材料從絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變，發(fā)現(xiàn)了一種新的材料相，并推進(jìn)了對材料特性的理解，對材料設(shè)計具有重要意義。

美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室的科學(xué)家們制作了有史以來第一部原子電影，展示了原子如何在量子材料從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贂r局部重新排列。在這些電影的幫助下，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的材料相，解決了長達(dá)數(shù)年的科學(xué)爭論，并有助于設(shè)計具有商業(yè)應(yīng)用的新過渡材料。

這項研究最近發(fā)表在《自然材料》雜志上，標(biāo)志著一項方法論上的成就；研究人員證明，一種名為原子對分布函數(shù)（PDF）分析的材料表征技術(shù)在X射線自由電子激光（XFEL）設(shè)施中是可行且成功的。PDF通常用于同步加速器光源實驗，在此期間，樣品受到X射線脈沖的轟擊。通過研究X射線衍射圖案在與材料相互作用后如何變化，科學(xué)家們可以更好地了解這些材料的性質(zhì)。但這些實驗受到可以產(chǎn)生的最短X射線脈沖的限制。

X射線脈沖技術(shù)的進(jìn)展

“這就像相機(jī)的快門速度，”該論文的聯(lián)合主要作者杰克·格里菲斯（Jack Griffiths）解釋說。“如果你拍攝的東西變化的速度比你相機(jī)的快門速度快，你的照片就會模糊。就像快速的快門速度一樣，更短的X射線脈沖可以幫助我們更詳細(xì)地觀察快速變化的材料。”

同步加速器光源非常適合用于表征不會變化的材料，或在幾分鐘到幾小時內(nèi)變化的材料，比如電池的充放電過程。但這組科學(xué)家想要在皮秒時間尺度上觀察物質(zhì)的變化。

格里菲斯說：“很難想象一皮秒到底有多快。在一秒鐘內(nèi)，光可以繞地球七圈半。但在一皮秒內(nèi)，光只能傳播三分之一毫米。時間尺度幾乎是無可比擬的。”

用XFEL打破障礙

因此，科學(xué)家們將PDF技術(shù)帶到了一個名為Linac相干光源（LCLS）的XFEL，這是美國能源部SLAC國家加速器實驗室的美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施，可以產(chǎn)生非常明亮和短的X射線脈沖。

“當(dāng)你第一次做某事時，總會有這種未知的一面。這可能很傷神，但也很令人興奮，”另一位共同主要作者、CMPMS x射線散射組的物理學(xué)家埃米爾·博津說。“我們知道將PDF帶到XFEL的核心限制，但我們真的不知道會發(fā)生什么。”

革命性的發(fā)現(xiàn)

利用LCLS的快速“快門速度”，科學(xué)家們能夠制作出解釋原子運(yùn)動的電影，就像他們的量子材料樣品在金屬和絕緣體之間轉(zhuǎn)變時發(fā)生的那樣。

X射線散射小組的物理學(xué)家、哥倫比亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的教授西蒙·比林格（Simon Billinge）說：“我簡直被它的工作效果驚呆了。”

“這就像需要一個導(dǎo)航應(yīng)用程序，”比林格補(bǔ)充道。“你知道你現(xiàn)在在哪里，你的目的地是什么，但你需要應(yīng)用程序給你一條路線或幾個路線選擇。超快PDF是我們的導(dǎo)航應(yīng)用程序。”

了解這些原子路徑是設(shè)計過渡材料的重要的第一步，這些材料在計算、化學(xué)和能量存儲方面有著無數(shù)的應(yīng)用。一旦科學(xué)家們了解了材料的轉(zhuǎn)變方式，他們就可以操縱原子路線并設(shè)計出適合商業(yè)應(yīng)用的材料。例如，當(dāng)文件被保存時，計算機(jī)內(nèi)存材料會過渡到另一個階段。在這種情況下，擁有不需要大量能量來轉(zhuǎn)換相位的材料是很重要的。但它們也必須能夠抵抗不必要的相位切換和長時間的數(shù)據(jù)損壞。

協(xié)調(diào)工作

“讓PDF與XFEL一起工作是一個巨大的組織努力的結(jié)果，”布魯克海文實驗室X射線散射小組組長、倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）倫敦納米技術(shù)中心教授伊恩·羅賓遜說。例如，羅賓遜指出，“我們與LCLS的Sébastien Boutet和Vincent Esposito密切合作，確定大分子飛秒晶體學(xué)（MFX）光束線是PDF技術(shù)最有前景的。”

該小組還包括來自哥倫比亞大學(xué)、威斯康星大學(xué)、麥迪遜分校、美國能源部阿貢國家實驗室和英國科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會的物理學(xué)家。

隨著他們成功的原理驗證實驗，研究人員渴望研究量子材料的另一種相變，科學(xué)家們將其作為其他有用材料的“模型”進(jìn)行研究。用激光脈沖激發(fā)這種物質(zhì)有了一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)。

揭示一個新的材料階段

就像這種量子材料的絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變一樣，一些材料的轉(zhuǎn)變是由溫度、壓力或磁場的變化驅(qū)動的。但是，由于這些環(huán)境變化可能會自然或無意地發(fā)生，因此對于某些應(yīng)用程序來說，它們可能是不可靠的。當(dāng)涉及到計算時，重要的是負(fù)責(zé)存儲文件的材料不要因為房間太熱或太冷而切換相位。

因此，研究人員研究了“非平衡”轉(zhuǎn)變，即由可靠和可控的觸發(fā)器引起的物質(zhì)狀態(tài)的變化。在這種情況下，他們用激光脈沖轟擊量子材料。

即使激光只干擾了幾個原子，這些原子的鄰居也會對這種變化做出反應(yīng)。然后鄰居的鄰居感受到了影響，直到局部變化傳播到整個量子材料。

比林格說：“這就像海底的地震會破壞一點點水，并產(chǎn)生最終到達(dá)海洋邊緣的波浪。”

利用超快PDF，研究人員仔細(xì)觀察了樣品在激光脈沖轟擊下的原子運(yùn)動。他們第一次直接觀察到量子物質(zhì)向一種尚未被識別的新狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

瞬態(tài)和隱相

博津說：“這就像發(fā)現(xiàn)了一個新的、隱藏的物質(zhì)階段，在平衡過渡期間是無法接近的。”

科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了長達(dá)數(shù)年的爭論：當(dāng)某些量子材料被激光激發(fā)時，究竟會發(fā)生什么？這不僅僅是加熱材料，而是產(chǎn)生一種瞬態(tài)的“亞穩(wěn)態(tài)”中間態(tài)。

有趣的是，這種材料在幾十皮秒內(nèi)是無序的，“盡管它開始和結(jié)束時都處于有序狀態(tài)，”格里菲斯說。

羅賓遜補(bǔ)充說：“暫態(tài)的發(fā)現(xiàn)代表了材料的一個新階段，它只存在很短的時間。這是一個重要的跡象，表明附近可能存在一種未被發(fā)現(xiàn)的、完全穩(wěn)定的物質(zhì)。”

科學(xué)家們渴望發(fā)現(xiàn)這些“隱藏”的物質(zhì)。但他們也想釋放新的超快PDF技術(shù)的全部潛力。

超快PDF的未來

“在量子材料中有幾種形式的復(fù)雜相位開關(guān)，我們計劃用超快PDF來探索它們，”博津說。“了解這些相變可以促進(jìn)商業(yè)材料的開發(fā)。但科學(xué)界也可以利用這項技術(shù)來回答基本的物理問題，探索超快現(xiàn)象，并建立更好的超導(dǎo)體。”

他補(bǔ)充說，“雖然我們回答了有關(guān)物質(zhì)轉(zhuǎn)變途徑的問題，但似乎我們打開了一扇門，而不是關(guān)閉了一扇門。”

就像這個項目一樣，如果沒有多學(xué)科的合作，未來的項目就不會成功。

多學(xué)科合作

“我們不只是使用SLAC的LCLS設(shè)施，”比林格解釋說。“那里的人對超高速PDF的成功也起到了不可或缺的作用。”

布魯克海文團(tuán)隊準(zhǔn)備優(yōu)化超快PDF技術(shù)，特別是當(dāng)LCLS升級到LCLS-II-HE時，這將實現(xiàn)更高分辨率的分子電影。

博津說：“國際上有興趣將其作為一種常規(guī)和成功的技術(shù)。我們期待成為其中的一部分。”

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