在美能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用的斯坦福大學(xué)研究生Yijing Huang說(shuō)道：“對(duì)于這類(lèi)材料來(lái)說(shuō)，這是非常重要的，因?yàn)樗鼈兊墓δ芴匦愿鼈兊慕Y(jié)構(gòu)有關(guān)。通過(guò)改變你投入的光的性質(zhì)，你可以定制你創(chuàng)造的材料的性質(zhì)。”

實(shí)驗(yàn)是在SLAC的X射線自由電子激光器，即直線極速器相干光源(LCLS)進(jìn)行的。這些結(jié)果于2022年2月14日發(fā)表在《Physical Review X》上報(bào)道并將在一個(gè)專(zhuān)門(mén)討論超快科學(xué)的特刊中重點(diǎn)介紹。

熱 vs. 光

由于熱電技術(shù)將廢熱轉(zhuǎn)化為電能，因此被認(rèn)為是一種綠色能源。熱電發(fā)電機(jī)為阿波羅登月項(xiàng)目提供了電力，研究人員一直在研究如何利用它們將人體的熱量轉(zhuǎn)化為電力從而為小工具充電及其他一些事情。反向運(yùn)行時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)熱梯度，進(jìn)而可用于在沒(méi)有移動(dòng)部件的冰箱中冷藏葡萄酒。

硒化錫被認(rèn)為是最有前途的熱電材料之一，它以單個(gè)晶體的形式生長(zhǎng)，相對(duì)便宜且易于制造。Huang稱(chēng)，跟許多其他熱電材料不同，硒化錫是無(wú)鉛的且它是一種更有效的熱轉(zhuǎn)換器。由于它由規(guī)則的立方體晶體組成，類(lèi)似于巖鹽的晶體，它也相對(duì)容易制造和修補(bǔ)。

為了探索這些晶體對(duì)光的反應(yīng)，研究小組用近紅外激光的強(qiáng)脈沖照射硒化錫以改變其結(jié)構(gòu)。光線激發(fā)了樣品原子中的電子并移動(dòng)了其中一些原子的位置、扭曲了它們的排列。

然后研究人員用來(lái)自LCLS的X射線激光脈沖跟蹤并測(cè)量了這些原子運(yùn)動(dòng)以及由此產(chǎn)生的晶體結(jié)構(gòu)的變化，其速度則快到足以捕捉到發(fā)生在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)的變化。

這項(xiàng)研究的報(bào)告共同作者、SLAC和斯坦福大學(xué)的教授、斯坦福PULSE研究所所長(zhǎng)David Reis表示：“你需要LCLS提供的超快脈沖和原子分辨率來(lái)重建原子的移動(dòng)位置。如果沒(méi)有這一點(diǎn)，我們就會(huì)把故事弄錯(cuò)。”

一個(gè)驚人的結(jié)果

這個(gè)結(jié)果是相當(dāng)出乎意料的，當(dāng)Huang告訴團(tuán)隊(duì)其他成員她在實(shí)驗(yàn)中看到的情況時(shí)他們很難相信她。

改變硒化錫原子結(jié)構(gòu)的一個(gè)屢試不爽的方法是施加熱量，它以一種可預(yù)測(cè)的方式改變材料，實(shí)質(zhì)上是讓這種特殊材料的性能更好。傳統(tǒng)的看法是，應(yīng)用激光會(huì)產(chǎn)生跟加熱基本相同的結(jié)果。

“這就是我們最初認(rèn)為會(huì)發(fā)生的事情，”SLAC的工作人員科學(xué)家Mariano Trigo說(shuō)道，“但經(jīng)過(guò)近兩年的討論，Yijing終于說(shuō)服了團(tuán)隊(duì)的其他成員，不，我們正在推動(dòng)材料走向一個(gè)完全不同的結(jié)構(gòu)。我認(rèn)為這個(gè)結(jié)果違背了大多數(shù)人的直覺(jué)，即當(dāng)你把電子激發(fā)到更高的能級(jí)時(shí)會(huì)發(fā)生什么。”他是SLAC的斯坦福材料和能源科學(xué)研究所(SIMES)的調(diào)查員。

杜克大學(xué)的研究生Shan Yang的理論計(jì)算證實(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的這種解釋是正確的。“這種材料和它的類(lèi)別當(dāng)然非常有趣，因?yàn)樗且粋€(gè)小的變化可能導(dǎo)致非常不同結(jié)果的系統(tǒng)。但用光制作全新結(jié)構(gòu)的能力--我們不知道如何用任何其他方式制作的結(jié)構(gòu)--大概比這更普遍。”

另外，Yang還補(bǔ)充稱(chēng)，它可能有用的一個(gè)領(lǐng)域是幾十年來(lái)對(duì)制造超導(dǎo)體--無(wú)損耗地導(dǎo)電的材料--在接近室溫下工作的探索。