万亿分之一秒的快门速度相机捕捉到混乱的运行情况

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。

要对原子活动进行快照，您需要一个咔嗒声更快的快门。

考虑到这一点，科学家们揭开了在2023之内一种实现仅万亿分之一秒或比那些数码相机快 2.5 亿倍的快门速度的方法。这使得它能够捕捉到材料科学中非常重要的东西：动态无序。

简而言之，它是指原子簇在一段时间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。我们还没有完全了解这种现象，但它对材料的特性和反应至关重要。

超高速快门速度系统让我们更深入地了解动态无序的情况。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。

“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，”说来自纽约哥伦比亚大学的材料科学家 Simon Billinge。

“有了这种技术，我们将能够观察一种材料，看看哪些原子在跳舞，哪些原子在外面。”

更快的快门速度可以捕捉到更精确的时间快照，这对于快速移动的物体（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，您最终会在画面中出现模糊的球员。

为了实现惊人的快速快照，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以测量周围的原子，能级的变化相当于快门速度调整。

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——正常的背景在原子的原地晃动，这不会增强材质的功能。

“它为我们提供了一种全新的方法来解开复杂材料中发生的复杂性，这些隐藏的影响可以增强其特性。”说比林格。

在这种情况下，研究人员将他们的中子相机训练在一种名为碲化物锗（GeTe） 由于其特殊特性，它被广泛用于将废热转化为电能，或将电转化为冷却。

镜头显示 GeTe 的结构仍然像水晶一样，平均而言，在所有温度下。但在更高的温度下，它表现出更多的动态无序，其中原子按照与材料自发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，使我们能够开发更好的材料和设备——例如为热电设备提供动力的仪器火星没有阳光时漫游者。

通过基于新相机捕获的观测结果的模型，可以提高对这些材料和过程的科学理解。但是，要使 vsPDF 成为一种广泛使用的测试方法，还有很多工作要做。

“我们预计这里描述的 vsPDF 技术将成为调和能源材料中局部和平均结构的标准工具，”研究人员解释在他们的论文中。

该研究发表在自然材料.

本文的早期版本发表于 2023 年 3 月。

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