快门速度为万亿分之一秒的新型相机看穿原子的动态无序

研究人员逐渐了解到，在可持续能源应用(例如将阳光或废热转化为电能)中性能最好的材料通常使用更大结构中原子团簇的集体涨落。这个过程通常被称为“动态障碍”。

动力障碍

了解材料中的动态无序可以导致更节能的热电设备，例如固态冰箱和热泵，也可以通过直接转换废热，例如汽车尾气和电站尾气，更好地回收有用能量到电。当没有足够的阳光时，热电装置能够从放射性钚中吸收热量并将其转化为电能为火星探测器提供动力。

当材料在操作设备中发挥作用时，它们的行为就好像它们是有生命的并在跳舞一样——材料的某些部分以惊人和意想不到的方式做出反应和变化。这种动态无序很难研究，因为星团不仅很小而且无序，而且它们还会随时间波动。此外，研究人员不感兴趣的材料中存在“无聊”的非波动紊乱，因为这种紊乱不会改善性能。直到现在，还不可能从不太相关的静态障碍的背景中看到相关的动态障碍。

新“相机”的快门速度快得令人难以置信，约为1皮秒

哥伦比亚工程学院和勃艮第大学的研究人员报告说，他们已经开发出一种新型“相机”，可以看到当地的混乱情况。它的关键特征是可变快门速度：因为无序的原子团在移动，当团队使用慢快门时，动态无序模糊了，但当他们使用快速快门时，他们可以看到它。他们称之为可变快门PDF或vsPDF(用于原子对分布函数)的新方法不像传统相机那样工作——它使用美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)来源的中子来测量原子位置与快门速度约为一皮秒，或比普通相机快门快一百万(一万亿)倍。该研究发表于2023年2月20日，自然材料。

“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，”材料科学与应用物理学和应用数学教授SimonBillinge说。“它为我们提供了一种全新的方法来解开复杂材料中正在发生的事情的复杂性，以及可以增强其特性的隐藏效应。通过这种技术，我们将能够观察材料并看到哪些原子在跳舞哪些人坐视不理。”

稳定局地波动余热发电新理论

vsPDF工具使研究人员能够发现GeTe中的原子对称性被破坏，GeTe是一种重要的热电材料，可将废热转化为电能(或将电能转化为冷却)。他们以前无法看到位移，也无法显示动态波动以及波动的速度。由于vsPDF的见解，该团队开发了一种新理论，展示了这种局部波动是如何在GeTe和相关材料中形成的。这种对舞蹈的机械理解将有助于研究人员寻找具有这些效果的新材料，并施加外力来影响效果，从而产生更好的材料。

研究团队

Billinge与SimonKimber共同领导这项工作，SimonKimber在研究期间正在法国勃艮第大学工作。Billinge和Kimber与ORNL和同样由美国能源部资助的阿贡国家实验室(ANL)的同事合作。vsPDF相机的非弹性中子散射测量是在ORNL进行的;该理论是在ANL完成的。

下一步

Billinge现在正致力于使他的技术更易于为研究界使用，并将其应用于其他具有动态障碍的系统。目前，这项技术还不是交钥匙的，但随着进一步的发展，它应该成为一种更加标准的测量方法，可以用于原子动力学很重要的许多材料系统，从观察锂在电池电极中移动到研究动态在阳光下分解水的过程。

这项研究的标题是“动态晶体学揭示立方GeTe中的自发各向异性”。