近日，布鲁克海文国家实验室（BNL）的科学家们制作了史上首部原子级的电影，展示了量子材料从绝缘体转变为金属时，原子如何局部重新排列。借助这些原子电影，研究人员发现了一种新的材料相变，这一发现解决了长达数年的科学争论，并可能促进具有商业应用的新过渡材料的设计。
这项研究最近发表在《Nature Materials》期刊上（10.1038/s41563-024-01927-8），标志着方法论上的一项成就；研究人员证明，一种称为原子对分布函数（PDF）分析的材料表征技术在X射线自由电子激光（XFEL）设施中是可行的，并且能够成功。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Jack Griffiths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。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科研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，”Griffiths表示。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。“这样的时间尺度几乎是前所未有的。”
因此，科学家们将PDF技术带到了一个名为Linac Coherent Light Source（LCLS）的XFEL设施中，这是由斯坦福大学为美国能源部科学办公室运营的 SLAC国家加速器实验室。它的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，总会有这一方面是未知的。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表示。“我们知道将PDF引入XFEL的核心限制性，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表示。
“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。超快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形态的材料。但是，它们还必须能够抵抗长时间内不必要的形态改变和数据损坏。
“让PDF与XFEL一起工作是组织付出巨大努力的结果，”布鲁克海文实验室X射线散射小组负责人、伦敦大学学院（UCL）伦敦纳米技术中心教授Ian Robinson表示。例如，Robinson指出，“我们与LCLS的 Sébastien Boutet和Vincent Esposito密切合作，确定了高分子飞秒晶体学（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，科学家们将对其作为其他有用材料的“模型”进行研究。他们在用激光脉冲激发材料时产生了一个令人兴奋的结果。
发现了一个新的物质阶段：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，它们不一定可靠。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形态。
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。
“就像海底的地震可以通过仅仅扰乱局部的海水而最终在海洋边缘形成巨浪一样，”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、隐藏的物质形态，在平衡转变期间是无法接近的，”Bozin表示。
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，而是生成了“亚稳态”的一个瞬间的中间状态。
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。
Robinson补充说：“这种瞬间状态的发现代表了材料研究的一个新阶段，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相近的成分中。
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形态开关，我们计划用超快PDF来探索它们，”Bozin表示。“了解这些形态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：“尽管我们解答了有关物质形态转变过程中的疑问，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。”
Brookhaven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，这将使分辨率更高的分子电影成为可能。
“国际上对使这项技术成为常规且成功的技术有着浓厚的兴趣。”Bozin表示。“我们期待着成为其中的一部分。”
