萬億分之一秒的相機(jī)捕捉運(yùn)動(dòng)中的混亂

為了拍照，市場(chǎng)上最好的數(shù)碼相機(jī)打開快門的時(shí)間約為千分之四秒。

要捕捉原子活動(dòng)，您需要一個(gè)咔嗒聲更快的快門。

考慮到這一點(diǎn)，科學(xué)家們揭曉了在 2023一種實(shí)現(xiàn)僅萬億分之一秒的快門速度的方法，比這些數(shù)碼相機(jī)快 2.5 億倍。這使得它能夠捕捉到材料科學(xué)中非常重要的東西：動(dòng)態(tài)無序。

觀看下面的視頻，了解他們的發(fā)現(xiàn)摘要：

簡而言之，它是當(dāng)原子簇在一定時(shí)期內(nèi)以特定方式在材料中移動(dòng)和跳舞時(shí)——例如，由振動(dòng)或溫度變化觸發(fā)。這還不是我們完全理解的現(xiàn)象，但它對(duì)材料的性質(zhì)和反應(yīng)至關(guān)重要。

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超快門速度系統(tǒng)讓我們更深入地了解動(dòng)態(tài)無序的情況。研究人員將他們的發(fā)明稱為“可變快門原子對(duì)分布函數(shù)”，簡稱 vsPDF。

“只有有了這個(gè)新的vsPDF工具，我們才能真正看到素材的這一面?！?a>說來自紐約哥倫比亞大學(xué)的材料科學(xué)家西蒙·比林格。

“有了這種技術(shù)，我們將能夠觀察一種材料，看看哪些原子在舞蹈中，哪些原子在舞蹈中?！?/p>

更快的快門速度可以捕捉更精確的時(shí)間快照，這有助于快速移動(dòng)的物體（如快速抖動(dòng)的原子）。例如，在體育比賽的照片中使用低快門速度，您最終會(huì)在畫面中看到模糊的球員。

為了實(shí)現(xiàn)驚人的快速捕捉，vsPDF 使用中子來測(cè)量原子的位置，而不是傳統(tǒng)的攝影技術(shù)。可以跟蹤中子撞擊和穿過材料的方式來測(cè)量周圍的原子，能級(jí)的變化相當(dāng)于快門速度的調(diào)整。

快門速度的這些變化以及萬億分之一秒的快門速度是顯著的：它們對(duì)于從相關(guān)但不同的靜態(tài)無序中挑選出動(dòng)態(tài)無序至關(guān)重要——在原子的原點(diǎn)上正常背景抖動(dòng)不會(huì)增強(qiáng)材料的功能。

“它為我們提供了一種全新的方法來解開復(fù)雜材料中發(fā)生的復(fù)雜性，隱藏的效應(yīng)可以增強(qiáng)其特性，”說比林格。

在這種情況下，研究人員在一種名為碲化鍺（GeTe），由于其特殊的特性，被廣泛用于將廢熱轉(zhuǎn)化為電能或電能轉(zhuǎn)化為冷卻。

相機(jī)顯示 GeTe 的結(jié)構(gòu)仍然是晶體，平均而言，在所有溫度下。但在較高溫度下，它表現(xiàn)出更多的動(dòng)態(tài)無序，即原子按照與材料自發(fā)電極化方向相匹配的梯度將運(yùn)動(dòng)交換為熱能。

更好地了解這些物理結(jié)構(gòu)可以提高我們對(duì)熱電工作原理的了解，使我們能夠開發(fā)更好的材料和設(shè)備，例如為供電的儀器火星在沒有陽光的情況下漫游者。

通過基于新相機(jī)捕獲的觀測(cè)結(jié)果的模型，可以提高對(duì)這些材料和工藝的科學(xué)理解。但是，要使 vsPDF 成為一種廣泛使用的測(cè)試方法，還有很多工作要做。

研究人員表示：“我們預(yù)計(jì)這里描述的 vsPDF 技術(shù)將成為協(xié)調(diào)能源材料中局部結(jié)構(gòu)和平均結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)工具解釋在他們的論文中。

該研究發(fā)表在天然材料.

本文的早期版本于 2023 年 3 月發(fā)布。

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