最強X射線雷射帶你窺探原子核邊的「電聲」之舞

原標題：最強X射線雷射帶你窺探原子核邊的「電聲」之舞

編者按：位於SLAC國家加速器實驗室的直線加速器相干光源（LCLS）擁有了目前世界上最強的X射線雷射，它如同一臺配備了「超級閃光燈」的高速攝像機，可用於拍攝原子層面的「錄像」，以幫助科學家更直觀地觀測化學反應和材料的各種物理現象。

在不久前，通過LCLS觀測原子核邊的「電聲」之舞（電子與聲子的相互作用），研究人員先後發表了兩篇頂級期刊上的研究論文。

基於LCLS的強大功能，研究人員可以直接觀察對熱-電材料、超導材料等中的電子和聲子，以便於對其工作原理進行更好的物理建模，最終孕育出更多新一代的「黑材料」和「黑科技」。

有些透明有些隔光，有些導電有些絕緣——材料為什麼會體現出各種各樣的特性？一個主要原因就在於，它們的電子在原子晶格之間的運動方式不同。當然，原子組成的晶格也處於永不停息的振動中。在固體物理學中，用聲子來描述晶格的簡諧振動。

聲子和電子之間相互作用的研究有何意義？首先，該研究有助於提高太陽能電池將太陽能轉化成光能的效率；其次，聲子-電子相互作用在超導材料導電過程中也起著重要作用；再次，拓撲絕緣材料和磁致可變電阻材料的研究也依賴於聲子-電子之間相互作用的研究。

雷射脈衝激發固體材料中電子（白色球體），產生原子核（黑色和藍色球體）晶格振動的示意圖。SLAC的LCLS雷射器能夠觀察到這些迅如閃電的「電聲之舞」——電子-聲子相互作用。這種相互作用決定了材料的很多重要特性。圖片來源：SLAC國家加速器實驗室。

在美國能源部國家加速器實驗室的斯坦福直線加速器中心（SLAC），科學家們藉助世界上最強的X射線雷射——直線加速器相干光源（Linac Coherent Light Source，LCLS），能夠以前所未有的解析度研究聲子-電子相互作用。LCLS是美國能源部下屬的諸多科學研究機構之一。

LCLS主管邁克·杜恩（Mike Dunne）表示，材料科學旨在研究材料內部的結構，製造符合人類要求的新材料。LCLS的核心任務是對材料內部展開研究並建立模型，並以此服務於下一代電子和能源新材料的研發。

LCLS有點像一個大號的相機閃光燈。它發射極強的X射線雷射照射材料，對材料以原子級的空間解析度和飛秒級的時間解析度進行成像。1飛秒是一秒鐘的千萬億分之一。這是一個什麼概念呢？1飛秒除以1秒的結果，等於7分鐘除以宇宙的年齡。

基於LCLS強大性能的兩個研究成果於近期先後發表在了頂級期刊上。第一個是關於高效熱-電轉換材料碲化鉛的工作原理；另一個是關於晶體鉻材料的電荷密度波（charge density wave）。

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熱與電的互換

當一塊碲化鉛是一種熱-電材料——當兩側溫度不同時，碲化鉛將產生電壓。而其出色的熱-電轉換效率引起了科學家的注意。

來自斯坦福PULSE研究所和材料與能源科學研究所（SIMES）（這兩個機構都由史丹福大學和SLAC合辦）科學家馬裡亞諾·提格（Mariano Trigo）表示，碲化鉛可以用來為未來的火星車提供電力，也可以將汽車排放的廢熱轉化為電能。

熱電材料還有一種使用方式——如果在碲化鉛材料的兩側加電壓，它就可以製造出溫差，這樣一來就可以用來製造製冷設備。

史丹福大學PULSE和SIMES的研究生蔣·梅森（Mason Jiang）表示，碲化鉛有2個特別的屬性：一是導熱性很差，因此不會把熱從材料一端導向另一端；二是導電性很好，因此碲化鉛可以高效地將熱能轉化為電能。

在熱作用下，材料晶格振動與電子運動的相互作用產生了這兩個特性。而LCLS則幫助了科學家們進一步了解材料內部的物理機制。

科學家用極短的紅外雷射脈衝激發了碲化鉛中的電子，然後用LCLS的X射線雷射來探查材料晶格在這股能量作用下振動的具體原理。

供職於PULSE, SIMES和史丹福大學的首席研究員戴維·雷斯（David Reis）表示，碲化鉛材料的電子-晶格結構處於一種不太穩定的臨界態，這種不穩定臨界態是碲化鉛材料熱-電效應的關鍵。

利用X射線雷射，科學家可以直接觀察紅外雷射脈衝觸發碲化鉛材料臨界態轉換時，材料內部的相互作用力情況。

該圖顯示了碲化鉛材料的原子結構，碲化鉛是效率很高的熱-電轉換材料。在正常狀態下（圖左半部分），碲化鉛晶格結構是扭曲的，並存在相對較大的振動，因此圖像較模糊。用激勵雷射脈衝照射碲化鉛後，材料的晶格結構變得有序。對碲化鉛的研究顯示了電子和晶格振動的耦合，這種耦合對碲化鉛的熱-電特性極其重要。圖片來源：SLAC國家加速器實驗室

科學家發現，雷射脈衝激發了特定電子態，而處於激發態下的電子通過與聲子耦合，造成了材料狀態的改變。

具體來說，激發後的電子削弱了特定的，與材料低熱導率相關的長程作用力（long-range force），從而使材料從不穩定態轉變為穩定態。穩定態下的材料，其熱-電轉換性能較低。反之，材料在不穩定態下，更強的長程作用力將導致更高的熱-電轉換性能。

該研究的相關研究論文於2016年7月22日發表於《Nature Communication》期刊上。對碲化鉛的研究，將有助於尋找與碲化鉛相比原材料豐度更高、毒性更低的熱-電材料。

用電荷密度波（charge density wave）控制材料性質

基於LCLS的第二項研究聚焦於材料在某些閾值條件下發生的特性突變時的電荷密度波。這些特性突變可以是從絕緣體變成導體，從導體變成超導體，或者從一種磁性狀態變為另一種磁性狀態等。

電荷密度波是材料原子核晶格中交替排列的高電子密度區域和低電子密度區域。它是一種靜態現象，不會在材料中傳播。打個比方，如果在湖中扔塊石頭，激發水波，然後瞬間把湖水凍成冰，那麼凝固的水波類似於電荷密度波。

安德烈·辛格（Andrej Singer）是聖地牙哥加州大學奧列格·西普瑞科（Oleg Shpyrko）教授研究團隊中的博士後，他表示，人類已經在很多特性有趣的材料中觀測到電荷密度波的存在，因此建立電荷密度波和材料特性之間的關係是材料科學的研究熱點。

辛格所在的研究團隊發現了一種用雷射加強鉻晶體電荷密度波的方法，該方法也有望為用於其他材料的改性，例如，簡單用一道雷射就將普通導體變成超導體。

辛格團隊研究結果的相關論文於2016年7月25日發表於《Physical Review Letters》上。

該動圖顯示了鉻晶體中的電荷密度波在激勵雷射脈衝的照射下，電子高低密度區產了振幅波動。LCLS發射的X射線雷射被鉻晶體散射回來，散射信號通過處理產生了這幅圖像。波動的時間解析度以皮秒為單位，1皮秒等於一萬億分之一秒。圖片來源：加州大學

研究團隊使用鉻為研究對象，來研究電荷密度波。他們先將鉻冷卻到-173攝氏度，然後用雷射將其激發。於此同時，用LCLS的X射線雷射來觀測被激發後的電荷密度波振幅。

辛格稱，在被雷射激發後，電荷密度波的振幅瞬時增加了30%，然後振幅開始以450飛秒為周期波動。只要持續用雷射脈衝刺激鉻材料，電荷密度波的幅度波動就可以持續。

多虧了LCLS，科學家才能夠對材料晶格進行超高速成像，進而研究電荷密度波的變化。

基於以上研究成果，科學家提出了一種解釋電荷密度波幅度增強的理論：激勵雷射脈衝幹擾了材料中的電子-聲子相互作用，導致材料晶格發生振動。

在激勵雷射脈衝消失後一小段時間，電子-聲子相互作用還會存在，它會加大震蕩的幅度，就像一個鞦韆被額外推一下之後，能蕩得更高一樣。

觀賞「電聲之舞」的下一代利器

以上兩項研究能夠為新材料的研發和材料特性控制提供方法，因此都是固體物理學和材料科學的當前研究熱點。

LCLS每秒可以發射120個亮度極高的X射線雷射脈衝，因此可以以前所未有的分辨力揭開材料「電聲之舞」的秘密。

在建中的下一代X射線雷射器LCLS-II則能每秒最高發射1百萬個X射線雷射脈衝，亮度達到LCLS的1萬倍。它將是進軍材料科學新領域的一件更強利器。

杜恩主管表示，LCLS-II能夠提供更高的分辨力，以觀察材料內的這場「電聲之舞」，科學家們則有望憑藉獲得的更多信息，實現更多突破性進展。

參考：

[1] M. P. Jiang et al. The originof incipient ferroelectricity in lead telluride, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms12291

[2] A. Singeret al. Photoinduced Enhancement of the Charge Density Wave Amplitude, PhysicalReview Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.056401

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