萬億分之一秒的快門速度相機(jī)捕捉到混亂的運行情況

為了拍照，市場上最好的數(shù)碼相機(jī)會打開快門大約千分之四秒。

要對原子活動進(jìn)行快照，您需要一個咔嗒聲更快的快門。

考慮到這一點，科學(xué)家們揭開了在2023之內(nèi)一種實現(xiàn)僅萬億分之一秒或比那些數(shù)碼相機(jī)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(xué)中非常重要的東西：動態(tài)無序。

簡而言之，它是指原子簇在一段時間內(nèi)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(fā)。我們還沒有完全了解這種現(xiàn)象，但它對材料的特性和反應(yīng)至關(guān)重要。

超高速快門速度系統(tǒng)讓我們更深入地了解動態(tài)無序的情況。研究人員將他們的發(fā)明稱為可變快門原子對分布函數(shù)，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(xué)的材料科學(xué)家 Simon Billinge。

“有了這種技術(shù)，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?！?/p>

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(xiàn)模糊的球員。

為了實現(xiàn)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(tǒng)的攝影技術(shù)?？梢愿欀凶幼矒艉痛┻^材料的方式以測量周圍的原子，能級的變化相當(dāng)于快門速度調(diào)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(guān)但不同的靜態(tài)無序中挑選出動態(tài)無序至關(guān)重要——正常的背景在原子的原地晃動，這不會增強(qiáng)材質(zhì)的功能。

“它為我們提供了一種全新的方法來解開復(fù)雜材料中發(fā)生的復(fù)雜性，這些隱藏的影響可以增強(qiáng)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(jī)訓(xùn)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(zhuǎn)化為電能，或?qū)㈦娹D(zhuǎn)化為冷卻。

鏡頭顯示 GeTe 的結(jié)構(gòu)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(xiàn)出更多的動態(tài)無序，其中原子按照與材料自發(fā)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(jié)構(gòu)可以提高我們對熱電工作原理的了解，使我們能夠開發(fā)更好的材料和設(shè)備——例如為熱電設(shè)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(jī)捕獲的觀測結(jié)果的模型，可以提高對這些材料和過程的科學(xué)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(yù)計這里描述的 vsPDF 技術(shù)將成為調(diào)和能源材料中局部和平均結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)工具，”研究人員解釋在他們的論文中。

該研究發(fā)表在自然材料.

本文的早期版本發(fā)表于 2023 年 3 月。

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