布鲁克海文大学的科学家们使用他们的新超快对分布函数（uf-PDF）技术来探索量子材料向以前未被发现的物质相的转变。上面的示意图显示了激光光子的吸收如何引发微小的变化，随着时间的推移在材料中传播，而不是瞬间改变整个材料。图片来源：Jack Griffiths/布鲁克海文国家实验室

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的科学家制作了有史以来第一部原子电影，展示了原子在量子材料从绝缘体转变为金属时如何在局部重新排列。在这些电影的帮助下，研究人员发现了一种新的材料相，解决了长达数年的科学争论，并可能有助于设计具有商业应用的新型过渡材料。

这项研究最近发表在《自然材料》（Nature Materials）上，标志着一种方法论的成就;研究人员证明，在X射线自由电子激光（XFEL）设施中，一种称为原子对分布函数（PDF）分析的材料表征技术是可行的，并且是成功的。

PDF通常用于同步加速器光源实验，在实验过程中，样品被X射线脉冲轰击。通过研究X射线衍射图案在与材料相互作用后如何变化，科学家们可以更好地了解这些材料的特性。但是这些实验受到可以产生的最短X射线脉冲的限制。

“这就像相机的快门速度，”该论文的共同主要作者杰克格里菲斯解释说。“如果你拍摄的照片的变化速度比相机的快门速度快，你的照片会很模糊。就像快速的快门速度一样，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。

格里菲斯（Griffiths）是布鲁克海文凝聚态物理与材料科学（CMPMS）部门X射线散射小组的博士后研究员，现在是布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室用户设施国家同步辐射光源II（NSLS-II）的博士后研究员。

同步加速器光源非常适合表征不变的材料或在几分钟到几小时内变化的材料，例如电池在充电和放电时。但是这组科学家想在皮秒时间尺度上观察物质变化。

“很难想象皮秒到底有多快，”格里菲斯说。在一秒钟内，光可以绕地球传播七次半。但在一皮秒内，光只能传播三分之一毫米。“时间尺度几乎是无可比拟的。”

因此，科学家们将PDF技术带到了一个名为Linac Coherent Light Source（LCLS）的XFEL中，这是DOE的SLAC国家加速器实验室的DOE科学办公室用户设施，可以产生令人难以置信的明亮和短脉冲的X射线。

“当你第一次做某件事时，总会有这一方面未知的。这可能令人伤脑筋，但也非常令人兴奋，“另一位共同主要作者、CMPMS X射线散射小组的物理学家Emil Bozin说。“我们知道将 PDF 引入 XFEL 的核心限制，但我们真的不知道会发生什么。”

凭借LCLS的快速“快门速度”，科学家们能够制作出阐明原子运动的电影，就像他们的量子材料样品在金属和绝缘体之间过渡时发生的那样。

“我简直被它的效果所震撼，”X射线散射小组的物理学家、哥伦比亚大学工程与应用科学学院的教授Simon Billinge说。

“这类似于需要一个导航应用程序，”Billinge补充道。“你知道你现在在哪里，你的目的地是什么，但你需要这个应用程序给你一条路线或一些路线选项。Ultrafast PDF 是我们的导航应用程序。

了解这些原子路线是设计过渡材料的重要第一步，这些材料在计算、化学和储能领域有广泛的应用。一旦科学家了解了材料是如何转变的，他们就可以操纵原子路线并设计出针对商业应用进行优化的材料。

例如，当保存文件时，计算机内存材料会过渡到不同的阶段。在这种情况下，重要的是拥有不需要大量能量来切换相位的材料。但是，它们还必须能够抵抗长时间内不必要的相位切换和数据损坏。

“让PDF与XFEL一起工作是组织巨大努力的结果，”布鲁克海文实验室的X射线散射小组负责人，伦敦大学学院（UCL）伦敦纳米技术中心的教授Ian Robinson说。

例如，Robinson 指出，“我们与 LCLS 的 Sébastien Boutet 和 Vincent Esposito 密切合作，确定高分子飞秒晶体学 （MFX） 光束线对 PDF 技术来说是最有前途的。

该团队还包括来自哥伦比亚大学、威斯康星大学麦迪逊分校、美国能源部阿贡国家实验室和英国科学技术设施委员会的物理学家。

凭借成功的原理验证实验，研究人员渴望研究量子材料的另一种相变，科学家们将其作为其他有用材料的“模型”进行研究。用激光脉冲激发材料导致了一个令人兴奋的发现。

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、压力或磁场的变化驱动的。但是，由于这些环境变化可能是自然发生的，也可能是无意发生的，因此对于某些应用来说，它们可能不可靠。在计算方面，重要的是，负责存储文件的材料不会仅仅因为房间变得太热或太冷而改变阶段。

因此，研究人员研究了“非平衡”转变，即由可靠且可控的触发器引起的材料状态变化。在这种情况下，他们用激光脉冲击中了量子材料。

尽管激光只扰动了几个原子，但这些原子的邻居对这种变化做出了反应。然后邻居的邻居感受到了这种影响，直到局部变化在整个量子材料中传播。

“这就像海底的地震如何破坏一点水并产生最终到达海洋边缘的波浪一样，”Billinge补充道。

使用超快PDF，研究人员密切观察了样品受到激光脉冲轰击时的原子运动。他们首次直接观察到量子材料转变为尚未被发现的新状态。

“这就像发现了一种新的、隐藏的物质相，在平衡转变期间是无法接近的，”Bozin说。

科学家们的发现引发了长达数年的辩论，即当某些量子材料被激光激发时到底会发生什么;这不仅仅是加热材料，而是产生瞬态的“亚稳态”中间态。

有趣的是，这种材料在数十皮秒内是无序的，“即使它以有序的状态开始和结束，”格里菲斯说。

罗宾逊补充说：“瞬态的发现代表了这种材料的一个新阶段，这种材料的寿命很短。这是一个至关重要的迹象，表明一种未被发现的、完全稳定的物质可能存在于附近的成分中。

科学家们急于发现这些“隐藏”的物质。但他们也希望释放新的超快 PDF 技术的全部潜力。

“量子材料中存在多种形式的复杂相位开关，我们计划用超快PDF来探索它们，”Bozin说。“了解这些相变可以促进商业材料的开发。但科学界也可以使用这项技术来回答基本的物理学问题，探索超快现象，并制造出更好的超导体。

他补充说：“尽管我们回答了有关物质转型途径的问题，但似乎我们已经打开了一扇门，而不是关闭了一扇门。

像这个项目一样，如果没有多学科的合作，未来的项目就不会成功。

“我们不仅使用了 SLAC 的 LCLS 设施，”Billinge 解释说。“那里的员工在使超快 PDF 取得成功方面也发挥了不可或缺的作用。”

布鲁克海文团队已准备好优化超快PDF技术，特别是随着LCLS升级到LCLS-II-HE，这将使更高分辨率的分子电影成为可能。

“使这种技术成为一种常规和成功的技术，引起了国际上的兴趣，”Bozin说。“我们期待着成为其中的一部分。”

样品制备是在功能纳米材料中心进行的，该中心是布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室用户设施，在位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施Advanced Photon Source进行了额外的测量。

更多信息：Jack Griffiths 等人，通过超快相变解决长度尺度依赖性瞬态无序，《自然材料》（Nature Materials，2024 年）。DOI： 10.1038/s41563-024-01927-8

期刊信息： Nature Materials