原子或分子構成我們周圍的一切。在許多固體，如食鹽或鐵中，它們整齊地排列成重複的結構，稱為「晶格」。固體對任何外部因素，如施加的力的行為均取決於晶格的集體行為，而不是單個原子或分子的行為。成分的微小振動決定了晶格的集體響應。這種集體反應決定了各種自然現象，而不是單個成分，包括各種熱量如何通過固體傳遞以及材料如何改變固體、液體和氣體之間的狀態。
在一項新的研究中，科學家設計了一種理論方法來預測晶格結構隨外部幹擾而變化。這項研究發表在《自然雜誌》的《 npj計算材料》專刊上。
科學家通過首先在結構上產生外部幹擾，然後觀察幹擾如何隨時間變化，從而探究晶格結構或其動力學的變化。幹擾通常是由短時間的雷射閃光引起的。該研究的作者之一戈帕爾·迪克西特教授說：「如果你通過雷射的閃光幹擾固體，它的原子就會開始振動。」
如圖所示入射的X射線或電子脈衝撞擊樣品，從而產生原子振動。固體對入射脈衝的響應可以通過探測器，X射線或電子照相機看到。
X射線光或電子可以揭示有關晶格中原子和分子位置的信息。科學家在幾個飛秒（即千億分之一秒）的間隔內，用多個X射線或電子脈衝轟擊固體。因此，他們可以在這些情況下獲得固體的圖像，然後將它們縫合在一起以成膜振動的原子。這種實驗的設計具有挑戰性，涉及比標準實驗室顯微鏡貴的複雜儀器，並且在世界上很少見的設施中可以使用。直到最近十年，科學家才能夠進行這種高級實驗。
另一方面，研究未受幹擾的固體的分子排列更為容易。五十多年來，科學家用X射線或電子束轟擊了諸如矽之類的固體，並觀察了該束與晶格的相互作用。該研究的另一位作者迪潘舒·班薩爾（Dipanshu Bansal）教授說：「固體對電子束的響應在出射的電子束上留下了特殊的烙印，揭示了晶格中的原子振動。」
在該研究中，研究人員進行了數學計算，並證明了可以使用類似的技術來研究受到暫時性外部幹擾的固體。他們使用了傅立葉方法的擴展版本以及量子物理學定律。此外，他們使用了時間在一個方向流動的基本思想。這些使他們計算出確定晶格結構如何對外部幹擾做出反應的數學量。
利用這個數學量，研究人員預測了固體在短至幾飛秒的時間範圍內以及低至幾納米的空間的行為。然後，他們從過去十年中使用雷射進行的實驗中獲得的圖像中計算出響應函數。研究表明，該數量與理論完全匹配。他們的計算首次表明，無需進行複雜的實驗來研究固體動力學。
還有其他優點。迪克西特教授說：「我們提出的方法不需要用皮秒級分開的單獨的X射線或電子脈衝來研究動力學。相反，單個脈衝就足夠了。」計算在個人計算機上只需要幾天，而實驗可能需要幾天到幾個月。
該研究還將理論家和實驗家聚集在一起。 「我們的工作是合作努力的真正成功，」實驗科學家班薩爾教授說。 「我們需要深入了解理論無法解釋的確切實驗條件，理論物理學家才能承擔起這一任務。」
研究人員指出，他們的方法適用於不同環境中的固體，例如磁場、外部壓力或高溫下的固體。班薩爾教授說：「即使通過最複雜的顯微鏡實驗也無法做到這一點。」雖然從實驗中可用的有限數據並不容易，但是快速的技術進步使進行調查變得更加容易。研究人員正計劃將他們的理論也用於這些實驗的測試。
參考：Four-dimensional imaging of lattice dynamics using ab-initio simulation, npj Computational Materials(2021). https://www.nature.com/articles/s41524-020-00475-4