萬億分之一秒的快門速度相機捕捉到混亂的運行情況

為了拍照，市場上最好的數碼相機會打開快門大約千分之四秒。

要對原子活動進行快照，您需要一個咔嗒聲更快的快門。

考慮到這一點，科學家們揭開了在2023之內一種實現僅萬億分之一秒或比那些數碼相機快 2.5 億倍的快門速度的方法。這使得它能夠捕捉到材料科學中非常重要的東西：動態無序。

簡而言之，它是指原子簇在一段時間內以特定方式在材料中移動和跳舞——例如，由振動或溫度變化觸發。我們還沒有完全了解這種現象，但它對材料的特性和反應至關重要。

超高速快門速度系統讓我們更深入地了解動態無序的情況。研究人員將他們的發明稱為可變快門原子對分布函數，簡稱 vsPDF。

“只有使用這個新的 vsPDF 工具，我們才能真正看到材料的這一面，”說來自紐約哥倫比亞大學的材料科學家 Simon Billinge。

“有了這種技術，我們將能夠觀察一種材料，看看哪些原子在跳舞，哪些原子在外面。”

更快的快門速度可以捕捉到更精確的時間快照，這對于快速移動的物體（如快速抖動的原子）很有幫助。例如，在體育比賽的照片中使用低快門速度，您最終會在畫面中出現模糊的球員。

為了實現驚人的快速快照，vsPDF 使用中子來測量原子的位置，而不是傳統的攝影技術。可以跟蹤中子撞擊和穿過材料的方式以測量周圍的原子，能級的變化相當于快門速度調整。

快門速度的這些變化以及萬億分之一秒的快門速度都很重要：它們對于從相關但不同的靜態無序中挑選出動態無序至關重要——正常的背景在原子的原地晃動，這不會增強材質的功能。

“它為我們提供了一種全新的方法來解開復雜材料中發生的復雜性，這些隱藏的影響可以增強其特性。”說比林格。

在這種情況下，研究人員將他們的中子相機訓練在一種名為碲化物鍺（GeTe） 由于其特殊特性，它被廣泛用于將廢熱轉化為電能，或將電轉化為冷卻。

鏡頭顯示 GeTe 的結構仍然像水晶一樣，平均而言，在所有溫度下。但在更高的溫度下，它表現出更多的動態無序，其中原子按照與材料自發極化方向相匹配的梯度將運動交換為熱能。

更好地了解這些物理結構可以提高我們對熱電工作原理的了解，使我們能夠開發更好的材料和設備——例如為熱電設備提供動力的儀器火星沒有陽光時漫游者。

通過基于新相機捕獲的觀測結果的模型，可以提高對這些材料和過程的科學理解。但是，要使 vsPDF 成為一種廣泛使用的測試方法，還有很多工作要做。

“我們預計這里描述的 vsPDF 技術將成為調和能源材料中局部和平均結構的標準工具，”研究人員解釋在他們的論文中。

該研究發表在自然材料.

本文的早期版本發表于 2023 年 3 月。

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