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最强X射线激光观测原子核边的“电声”之舞

2016-10-09 09:25
林契于宸
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  位于SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)拥有了目前世界上最强的X射线激光,它如同一台配备了“超级闪光灯”的高速摄像机,可用于拍摄原子层面的“录像”,以帮助科学家更直观地观测化学反应和材料的各种物理现象。

  在不久前,通过LCLS观测原子核边的“电声”之舞(电子与声子的相互作用),研究人员先后发表了两篇顶级期刊上的研究论文。

  基于LCLS的强大功能,研究人员可以直接观察对热-电材料、超导材料等中的电子和声子,以便于对其工作原理进行更好的物理建模,最终孕育出更多新一代的“黑材料”和“黑科技”。

  有些透明有些隔光,有些导电有些绝缘——材料为什么会体现出各种各样的特性?一个主要原因就在于,它们的电子在原子晶格之间的运动方式不同。当然,原子组成的晶格也处于永不停息的振动中。在固体物理学中,用声子来描述晶格的简谐振动。

  声子和电子之间相互作用的研究有何意义?首先,该研究有助于提高太阳能电池将太阳能转化成光能的效率;其次,声子-电子相互作用在超导材料导电过程中也起着重要作用;再次,拓扑绝缘材料和磁致可变电阻材料的研究也依赖于声子-电子之间相互作用的研究。

  激光脉冲激发固体材料中电子(白色球体),产生原子核(黑色和蓝色球体)晶格振动的示意图。SLAC的LCLS激光器能够观察到这些迅如闪电的“电声之舞”——电子-声子相互作用。这种相互作用决定了材料的很多重要特性。图片来源:SLAC国家加速器实验室。

  在美国能源部国家加速器实验室的斯坦福直线加速器中心(SLAC),科学家们借助世界上最强的X射线激光——直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source,LCLS),能够以前所未有的分辨率研究声子-电子相互作用。LCLS是美国能源部下属的诸多科学研究机构之一。

  LCLS主管迈克·杜恩(Mike Dunne)表示,材料科学旨在研究材料内部的结构,制造符合人类要求的新材料。LCLS的核心任务是对材料内部展开研究并建立模型,并以此服务于下一代电子和能源新材料的研发。

  LCLS有点像一个大号的相机闪光灯。它发射极强的X射线激光照射材料,对材料以原子级的空间分辨率和飞秒级的时间分辨率进行成像。1飞秒是一秒钟的千万亿分之一。这是一个什么概念呢?1飞秒除以1秒的结果,等于7分钟除以宇宙的年龄。

  基于LCLS强大性能的两个研究成果于近期先后发表在了顶级期刊上。第一个是关于高效热-电转换材料碲化铅的工作原理;另一个是关于晶体铬材料的电荷密度波(charge density wave)。

  热与电的互换

  当一块碲化铅是一种热-电材料——当两侧温度不同时,碲化铅将产生电压。而其出色的热-电转换效率引起了科学家的注意。

  来自斯坦福PULSE研究所和材料与能源科学研究所(SIMES)(这两个机构都由斯坦福大学和SLAC合办)科学家马里亚诺·提格(Mariano Trigo)表示,碲化铅可以用来为未来的火星车提供电力,也可以将汽车排放的废热转化为电能。

  热电材料还有一种使用方式——如果在碲化铅材料的两侧加电压,它就可以制造出温差,这样一来就可以用来制造制冷设备。

  斯坦福大学PULSE和SIMES的研究生蒋·梅森(Mason Jiang)表示,碲化铅有2个特别的属性:一是导热性很差,因此不会把热从材料一端导向另一端;二是导电性很好,因此碲化铅可以高效地将热能转化为电能。

  在热作用下,材料晶格振动与电子运动的相互作用产生了这两个特性。而LCLS则帮助了科学家们进一步了解材料内部的物理机制。

  科学家用极短的红外激光脉冲激发了碲化铅中的电子,然后用LCLS的X射线激光来探查材料晶格在这股能量作用下振动的具体原理。

  供职于PULSE, SIMES和斯坦福大学的首席研究员戴维·雷斯(David Reis)表示,碲化铅材料的电子-晶格结构处于一种不太稳定的临界态,这种不稳定临界态是碲化铅材料热-电效应的关键。

  利用X射线激光,科学家可以直接观察红外激光脉冲触发碲化铅材料临界态转换时,材料内部的相互作用力情况。

  该图显示了碲化铅材料的原子结构,碲化铅是效率很高的热-电转换材料。在正常状态下(图左半部分),碲化铅晶格结构是扭曲的,并存在相对较大的振动,因此图像较模糊。用激励激光脉冲照射碲化铅后,材料的晶格结构变得有序。对碲化铅的研究显示了电子和晶格振动的耦合,这种耦合对碲化铅的热-电特性极其重要。图片来源:SLAC国家加速器实验室

  科学家发现,激光脉冲激发了特定电子态,而处于激发态下的电子通过与声子耦合,造成了材料状态的改变。

  具体来说,激发后的电子削弱了特定的,与材料低热导率相关的长程作用力(long-range force),从而使材料从不稳定态转变为稳定态。稳定态下的材料,其热-电转换性能较低。反之,材料在不稳定态下,更强的长程作用力将导致更高的热-电转换性能。

  该研究的相关研究论文于2016年7月22日发表于《Nature Communication》期刊上。对碲化铅的研究,将有助于寻找与碲化铅相比原材料丰度更高、毒性更低的热-电材料。

  用电荷密度波(charge density wave)控制材料性质

  基于LCLS的第二项研究聚焦于材料在某些阈值条件下发生的特性突变时的电荷密度波。这些特性突变可以是从绝缘体变成导体,从导体变成超导体,或者从一种磁性状态变为另一种磁性状态等。

  电荷密度波是材料原子核晶格中交替排列的高电子密度区域和低电子密度区域。它是一种静态现象,不会在材料中传播。打个比方,如果在湖中扔块石头,激发水波,然后瞬间把湖水冻成冰,那么凝固的水波类似于电荷密度波。

  安德烈·辛格(Andrej Singer)是圣迭戈加州大学奥列格·西普瑞科(Oleg Shpyrko)教授研究团队中的博士后,他表示,人类已经在很多特性有趣的材料中观测到电荷密度波的存在,因此建立电荷密度波和材料特性之间的关系是材料科学的研究热点。

  辛格所在的研究团队发现了一种用激光加强铬晶体电荷密度波的方法,该方法也有望为用于其他材料的改性,例如,简单用一道激光就将普通导体变成超导体。

  辛格团队研究结果的相关论文于2016年7月25日发表于《Physical Review Letters》上。

  该动图显示了铬晶体中的电荷密度波在激励激光脉冲的照射下,电子高低密度区产了振幅波动。LCLS发射的X射线激光被铬晶体散射回来,散射信号通过处理产生了这幅图像。波动的时间分辨率以皮秒为单位,1皮秒等于一万亿分之一秒。图片来源:加州大学

  研究团队使用铬为研究对象,来研究电荷密度波。他们先将铬冷却到-173摄氏度,然后用激光将其激发。于此同时,用LCLS的X射线激光来观测被激发后的电荷密度波振幅。

  辛格称,在被激光激发后,电荷密度波的振幅瞬时增加了30%,然后振幅开始以450飞秒为周期波动。只要持续用激光脉冲刺激铬材料,电荷密度波的幅度波动就可以持续。

  多亏了LCLS,科学家才能够对材料晶格进行超高速成像,进而研究电荷密度波的变化。

  基于以上研究成果,科学家提出了一种解释电荷密度波幅度增强的理论:激励激光脉冲干扰了材料中的电子-声子相互作用,导致材料晶格发生振动。

  在激励激光脉冲消失后一小段时间,电子-声子相互作用还会存在,它会加大震荡的幅度,就像一个秋千被额外推一下之后,能荡得更高一样。

  观赏“电声之舞”的下一代利器

  以上两项研究能够为新材料的研发和材料特性控制提供方法,因此都是固体物理学和材料科学的当前研究热点。

  LCLS每秒可以发射120个亮度极高的X射线激光脉冲,因此可以以前所未有的分辨力揭开材料“电声之舞”的秘密。

  在建中的下一代X射线激光器LCLS-II则能每秒最高发射1百万个X射线激光脉冲,亮度达到LCLS的1万倍。它将是进军材料科学新领域的一件更强利器。

  杜恩主管表示,LCLS-II能够提供更高的分辨力,以观察材料内的这场“电声之舞”,科学家们则有望凭借获得的更多信息,实现更多突破性进展。

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