科学家们开发出了一种技术，用于制作原子视频，展示量子材料从绝缘体到金属的过渡，从而发现了一种新材料相，并加深了对材料性质的理解，对材料设计有重大意义。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们制作了第一部原子视频，展示了量子材料在从绝缘体转变为金属的过程中，原子如何在局部范围内重新排列。借助这些视频，研究人员发现了一种新的材料相，这解决了多年来的科学争论，并可能促进具有商业应用前景的新型过渡材料的设计。

这项研究最近在 7 月 15 日的《自然材料》上发表，标志着一项方法论的成就；研究人员证明了在 X 射线自由电子激光（XFEL）设施中，一种名为原子对分布函数（PDF）分析的材料表征技术是可行的——并且取得了成功。PDF 通常用于同步加速器光源实验，在这些实验中，样品会受到 X 射线脉冲的轰击。通过研究 X 射线衍射图在与材料相互作用后的变化，科学家可以更好地了解这些材料的特性。然而，这些实验受到可产生的最短 X 射线脉冲的限制。

X射线脉冲技术的进步

“这就像是相机的快门速度，如果你拍摄的照片中物体的变化速度超过了相机的快门速度，那么你的照片就会模糊。就像快门速度较快一样，较短的X射线脉冲有助于我们更详细地观察快速变化的材料。

同步辐射光源非常适合用于表征不发生变化或数分钟至数小时内发生变化的材料，例如电池在充放电过程中的变化。但科学家希望观察皮秒时间尺度上的物质变化。

用XFEL打破障碍

于是，科学家们将相位检索衍射成像技术带到了X射线自由电子激光装置上，该装置名为相干光源直线加速器（LCLS），是美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学用户设施，能够产生极其明亮和短暂的X射线脉冲。

革命性发现

由于LCLS的快“快门速度”，科学家们能够制作视频来阐明原子的运动，就像量子材料样品在金属和绝缘体之间过渡时发生的那样。

这就好像你需要一个导航应用，你知道你现在在哪里，你的目的地是什么，但你需要这个应用来给你规划路线或几个路线选项。超快PDF就是我们的导航应用。

了解这些原子路径是设计具有计算、化学和储能等多种应用领域的过渡材料的重要第一步。一旦科学家了解了材料的转变方式，他们就可以操纵原子路径并设计出针对商业应用优化的材料。例如，计算机存储材料在保存文件时会转变为不同的相。在这种情况下，重要的是要有不需要大量能量来切换相的材料。但它们也必须在长时间内抵抗不必要的相切换和数据损坏。

揭示一种新的物质相

就像这种量子材料的绝缘体到金属的转变一样，一些材料转变是由温度、压力或磁场的变化引起的。但由于这些环境变化可能是自然发生的或无意发生的，它们在某些应用中可能并不可靠。在计算方面，重要的是负责存储文件的材料不会因为房间太热或太冷而改变相位。

因此，研究人员研究了“非平衡”转变，即一种由可靠和可控的触发器引起的物质状态变化。在这个例子中，他们使用激光脉冲照射量子材料。

即使激光仅仅扰动了几个原子，相邻原子也对这种变化做出了反应。接着，相邻的相邻原子也感受到了这种影响，直到局部变化在整个量子材料中传播开来。

这就像海底地震如何能够扰乱一小片水域，并掀起波浪，最终到达海洋边缘一样。

研究人员利用超快PDF，在样本受到激光脉冲轰击时，密切观察了原子运动。他们首次直接观察到量子材料过渡到尚未确定的新状态。

瞬态和隐藏相

科学家们的这一发现，为一场关于激光激发某些量子材料时真正发生何事的多年争论提供了帮助；它不仅仅是加热材料，而是生成了一个瞬态的“亚稳态”中间态。

尽管这种材料以有序状态开始和结束，但它却在数十皮秒内变得无序。

瞬态的发现代表了一种新的材料相态，它只存活很短的时间。这是一个重要的迹象，表明在附近的成分中可能隐藏着一种未被发现且完全稳定的材料。

科学家们渴望发现这些“隐藏”的材料。但他们也希望能够充分发挥这种新型超快PDF技术的全部潜力。

超快PDF的未来

量子材料中存在几种复杂的相变开关，我们计划用超快PDF来探索它们。理解这些相变可以促进商业材料的发展。但科学界也可以用这种技术来回答基本的物理学问题，探索超快现象，并制造更好的超导体。

参考：“通过超快相变解决与长度尺度相关的瞬态无序”，作者：Jack Griffiths、Ana F. Suzana、Longlong Wu、Samuel D. Marks、Vincent Esposito、Sébastien Boutet、Paul G. Evans、J. F. Mitchell、Mark P. M. Dean、David A. Keen、Ian Robinson、Simon J. L. Billinge和Emil S. Bozin，2024年7月15日，发表于《自然材料》期刊。DOI: 10.1038/s41563-024-01974-1