科学家们推出了一种实现快门速度仅为万亿分之一秒的方法，即比数码相机快 2.5 亿倍。这使得它能够捕获材料科学中非常重要的东西：动态无序。
为了拍照，市场上最好的数码相机会打开快门大约千分之四秒。要拍摄原子活动的快照，您需要一个点击速度更快的快门。考虑到这一点，科学家们推出了一种实现快门速度仅为万亿分之一秒的方法，即比数码相机快 2.5 亿倍。这使得它能够捕获材料科学中非常重要的东西：动态无序。
简而言之，这是指原子团在一定时期内以特定方式在材料中移动和跳舞，例如由振动或温度变化触发。这不是我们完全理解的现象，但它对材料的性质和反应至关重要。
今年三月推出的全新超高速快门系统让我们更深入地了解动态紊乱的情况。研究人员将他们的发明称为可变快门原子对分布函数，简称 vsPDF。
纽约哥伦比亚大学的材料科学家 Simon Billinge 表示：“只有使用这个新的 vsPDF 工具，我们才能真正看到材料的这一面。”“通过这项技术，我们将能够观察一种材料，看看哪些原子在跳舞，哪些原子在跳舞。”
更快的快门速度可以捕捉更精确的时间快照，这对于快速移动的物体（例如快速抖动的原子）很有帮助。例如，在体育比赛的照片中使用低快门速度，最终画面中的球员会变得模糊。
显示较慢（左）和较快（右）快门速度下 GeTE 原子结构的插图。 （Jill Hemman/ORNL，美国能源部）
为了实现惊人的快速捕捉，vsPDF 使用中子来测量原子的位置，而不是传统的摄影技术。可以跟踪中子撞击和穿过材料的方式来测量周围的原子，能量水平的变化相当于快门速度的调整。
快门速度的这些变化以及万亿分之一秒的快门速度都很重要：它们对于从相关但不同的静态无序中挑选出动态无序至关重要——原子上正常的背景抖动不增强材料的功能。
比林格说：“它为我们提供了一种全新的方法来解决复杂材料中发生的复杂情况，以及可以增强其性能的隐藏效应。”
在这种情况下，研究人员将中子相机对准了一种名为碲化锗（GeTe）的材料，这种材料由于其特殊的性质而被广泛用于将废热转化为电能，或将电能转化为冷却。
相机显示，平均而言，在所有温度下，GeTe 仍保持晶体结构。但在更高的温度下，它表现出更多的动态无序，原子按照与材料自发电极化方向相匹配的梯度将运动交换为热能。
更好地了解这些物理结构可以提高我们对热电工作原理的了解，使我们能够开发出更好的材料和设备，例如在没有阳光的情况下为火星探测器提供动力的仪器。
通过基于新相机捕获的观察结果的模型，可以提高对这些材料和工艺的科学理解。然而，要使 vsPDF 成为广泛使用的测试方法，仍有大量工作要做。
研究人员在论文中解释道：“我们预计这里描述的 vsPDF 技术将成为协调能源材料中局部结构和平均结构的标准工具。”
该研究发表在《自然材料》上。
本文的早期版本于 2023 年 3 月发布。