科学家们开发了一种技术来制作原子电影，展示量子材料从绝缘体到金属的转变，发现了一种新的材料相，并推进了对材料特性的理解，对材料设计具有重要意义。
美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的科学家们制作了有史以来第一部原子电影，展示了原子如何在量子材料从绝缘体转变为金属时局部重新排列。在这些电影的帮助下，研究人员发现了一种新的材料相，解决了长达数年的科学争论，并有助于设计具有商业应用的新过渡材料。
这项研究最近发表在《自然材料》杂志上，标志着一项方法论上的成就；研究人员证明，一种名为原子对分布函数（PDF）分析的材料表征技术在X射线自由电子激光（XFEL）设施中是可行且成功的。PDF通常用于同步加速器光源实验，在此期间，样品受到X射线脉冲的轰击。通过研究X射线衍射图案在与材料相互作用后如何变化，科学家们可以更好地了解这些材料的性质。但这些实验受到可以产生的最短X射线脉冲的限制。
X射线脉冲技术的进展
“这就像相机的快门速度，”该论文的联合主要作者杰克·格里菲斯（Jack Griffiths）解释说。“如果你拍摄的东西变化的速度比你相机的快门速度快，你的照片就会模糊。就像快速的快门速度一样，更短的X射线脉冲可以帮助我们更详细地观察快速变化的材料。”
同步加速器光源非常适合用于表征不会变化的材料，或在几分钟到几小时内变化的材料，比如电池的充放电过程。但这组科学家想要在皮秒时间尺度上观察物质的变化。
格里菲斯说：“很难想象一皮秒到底有多快。在一秒钟内，光可以绕地球七圈半。但在一皮秒内，光只能传播三分之一毫米。时间尺度几乎是无可比拟的。”
用XFEL打破障碍
因此，科学家们将PDF技术带到了一个名为Linac相干光源（LCLS）的XFEL，这是美国能源部SLAC国家加速器实验室的美国能源部科学办公室用户设施，可以产生非常明亮和短的X射线脉冲。
“当你第一次做某事时，总会有这种未知的一面。这可能很伤神，但也很令人兴奋，”另一位共同主要作者、CMPMS x射线散射组的物理学家埃米尔·博津说。“我们知道将PDF带到XFEL的核心限制，但我们真的不知道会发生什么。”
革命性的发现
利用LCLS的快速“快门速度”，科学家们能够制作出解释原子运动的电影，就像他们的量子材料样品在金属和绝缘体之间转变时发生的那样。
X射线散射小组的物理学家、哥伦比亚大学工程与应用科学学院的教授西蒙·比林格（Simon Billinge）说：“我简直被它的工作效果惊呆了。”
“这就像需要一个导航应用程序，”比林格补充道。“你知道你现在在哪里，你的目的地是什么，但你需要应用程序给你一条路线或几个路线选择。超快PDF是我们的导航应用程序。”
了解这些原子路径是设计过渡材料的重要的第一步，这些材料在计算、化学和能量存储方面有着无数的应用。一旦科学家们了解了材料的转变方式，他们就可以操纵原子路线并设计出适合商业应用的材料。例如，当文件被保存时，计算机内存材料会过渡到另一个阶段。在这种情况下，拥有不需要大量能量来转换相位的材料是很重要的。但它们也必须能够抵抗不必要的相位切换和长时间的数据损坏。
协调工作
“让PDF与XFEL一起工作是一个巨大的组织努力的结果，”布鲁克海文实验室X射线散射小组组长、伦敦大学学院（UCL）伦敦纳米技术中心教授伊恩·罗宾逊说。例如，罗宾逊指出，“我们与LCLS的Sébastien Boutet和Vincent Esposito密切合作，确定大分子飞秒晶体学（MFX）光束线是PDF技术最有前景的。”
该小组还包括来自哥伦比亚大学、威斯康星大学、麦迪逊分校、美国能源部阿贡国家实验室和英国科学技术设施委员会的物理学家。
随着他们成功的原理验证实验，研究人员渴望研究量子材料的另一种相变，科学家们将其作为其他有用材料的“模型”进行研究。用激光脉冲激发这种物质有了一个令人兴奋的发现。
揭示一个新的材料阶段
就像这种量子材料的绝缘体到金属的转变一样，一些材料的转变是由温度、压力或磁场的变化驱动的。但是，由于这些环境变化可能会自然或无意地发生，因此对于某些应用程序来说，它们可能是不可靠的。当涉及到计算时，重要的是负责存储文件的材料不要因为房间太热或太冷而切换相位。
因此，研究人员研究了“非平衡”转变，即由可靠和可控的触发器引起的物质状态的变化。在这种情况下，他们用激光脉冲轰击量子材料。
即使激光只干扰了几个原子，这些原子的邻居也会对这种变化做出反应。然后邻居的邻居感受到了影响，直到局部变化传播到整个量子材料。
比林格说：“这就像海底的地震会破坏一点点水，并产生最终到达海洋边缘的波浪。”
利用超快PDF，研究人员仔细观察了样品在激光脉冲轰击下的原子运动。他们第一次直接观察到量子物质向一种尚未被识别的新状态的转变。
瞬态和隐相
博津说：“这就像发现了一个新的、隐藏的物质阶段，在平衡过渡期间是无法接近的。”
科学家们的发现引发了长达数年的争论：当某些量子材料被激光激发时，究竟会发生什么？这不仅仅是加热材料，而是产生一种瞬态的“亚稳态”中间态。
有趣的是，这种材料在几十皮秒内是无序的，“尽管它开始和结束时都处于有序状态，”格里菲斯说。
罗宾逊补充说：“暂态的发现代表了材料的一个新阶段，它只存在很短的时间。这是一个重要的迹象，表明附近可能存在一种未被发现的、完全稳定的物质。”
科学家们渴望发现这些“隐藏”的物质。但他们也想释放新的超快PDF技术的全部潜力。
超快PDF的未来
“在量子材料中有几种形式的复杂相位开关，我们计划用超快PDF来探索它们，”博津说。“了解这些相变可以促进商业材料的开发。但科学界也可以利用这项技术来回答基本的物理问题，探索超快现象，并建立更好的超导体。”
他补充说，“虽然我们回答了有关物质转变途径的问题，但似乎我们打开了一扇门，而不是关闭了一扇门。”
就像这个项目一样，如果没有多学科的合作，未来的项目就不会成功。
多学科合作
“我们不只是使用SLAC的LCLS设施，”比林格解释说。“那里的人对超高速PDF的成功也起到了不可或缺的作用。”
布鲁克海文团队准备优化超快PDF技术，特别是当LCLS升级到LCLS-II-HE时，这将实现更高分辨率的分子电影。
博津说：“国际上有兴趣将其作为一种常规和成功的技术。我们期待成为其中的一部分。”
本文信息由知新了了整理自美国能源部。
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