要预测材料的行为，首先必须知道它们的特性。此外，假设你想操纵或设计新材料，并让它们服务于某些技术目的，例如，电子或光子电路。在这种情况下，你需要非常非常好地理解结构动力学。
固体晶体材料——比如金属、陶瓷、岩石和骨头——是出了名的难以建模。它们由颗粒、域和缺陷组成，并受到许多相互竞争的力量的挑战，这些力量在几个层面上施加影响。为了模拟这种材料，科学家们使用了高度专业化的x射线，并以低至100纳米(比人类头发小500多倍)的分辨率对材料进行了表征。
然而，分辨率并不是唯一需要涵盖的内容。还有一个事实是，这些材料中发生的变化是随着时间的推移而发生的，科学家们无法在毫秒到秒的时间内更详细地跟踪它。但在晶体内部，有些事情发生得非常快，比如它们改变形状或传递热量。这些都与晶体中的原子如何排列和移动有关。它们通常发生在微秒内——有时甚至是皮秒或纳秒。
另一种现象是声波穿过材料。它们在那里的时间远不到一毫秒。最近发表在《美国国家科学院院刊》(pnas)上的一篇文章——用x射线显微镜对块状材料中的声波进行实时成像——讲述了丹麦和美国科学家成功地捕捉到了声波穿过1毫米钻石样本的事实。
“我们希望在3D中看到这些变化，但到目前为止，它无法足够快地完成，或者在不损坏晶体的情况下完成。我们的新技术可以更快、非侵入性地做到这一点，并将适用于许多晶体，”DTU物理系的通讯作者亨宁·弗里斯·鲍尔森教授解释说。
他补充说:“为了以声速成像，有必要在3公里长的‘x射线自由电子激光器’(XFEL)末端建立一个全新的显微镜。当你希望看到只存在百万分之一秒的声波时，你并不一定能成功地将3公里长的x射线源通过多个镜头对准直径为1毫米的样本。”
“在获得第一个数据之前，我们的发丝般细的x射线和光学激光束必须在毫米大小的单晶金刚石样品上以比纳秒更好的定时精度相遇。但我们做到了，我相信这些结果将激发大量的新研究。”
合著者Theodor S. Holstad解释说，他们的方法适用于所有类型的晶体材料，“通过这种设置，我们可以研究迄今为止超出科学范围的各种超快结构现象。在不到一微秒的时间尺度上可视化结构过程与固态物理、材料科学和地球科学相关。”
“例如，当你想了解超材料、光子晶体、热电材料，甚至是软材料(如苝和杂化钙钛矿)的过程时。最后，在地球科学中，测试声音如何在行星物质中传播的地震学模型可能是有用的。”
声波的快照以小到几皮秒的时间步长拍摄，然后被编辑成小电影。
该团队拍摄了不同类型的声波在晶体表面传播和反射的电影:
他们还捕获了在微秒时间尺度上的色散(波随着时间的推移而扩散)和衰减(波的减弱):
最后，他们证明了仅仅一个小于千分之一纳秒长的x射线脉冲就足以成像，打开了在不到微秒的时间尺度上实时可视化随机和不可逆过程的大门，比今天的毫秒或微秒快得多。
更多信息:Theodor S. Holstad等人，用x射线显微镜对块状材料中的声波进行实时成像，美国国家科学院院刊(2023)。DOI: 10.1073 / pnas.2307049120期刊信息:美国国家科学院院刊
丹麦技术大学提供
引用:科学家在晶体中拍摄声波(2023年，10月2日)，2023年10月3日从https://techxplore.com/news/2023-10-scientists-crystal.html获取
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