革命性的 X 射线显微镜揭示了晶体深处的声波

(A) DFXM 实验的布局示意图。入射的 X 射线光束通过一个复合折射透镜（CRL）向一个方向聚光，照射到样品中的一个层，该层定义了观测平面（图中为水平面）。金刚石单晶体的方向使其在反射时发生衍射，即 Q→。使用 X 射线物镜将布拉格衍射 X 射线放大到二维探测器上，即可获得观察平面的 DFXM 图像。光学激光泵在 t0 时刻加热沉积在样品表面的金膜，导致热膨胀并在金刚石晶体内部产生声波。在激光泵和 X 射线探头之间不同的时间延迟 Δt 时，晶体晶格中相关的局部应变变化会被成像，从而产生声波传播的影片。图中显示了晶体面和实验室坐标系。(B) 散射几何图形。(C) Δt = 3 ns 和 7 ns 时的 DFXM 实验图像。下图为垂直 yℓ 方向积分后的强度图。可以看到，随着Δt 的增大，标有 A0（海蓝色）和 B0（蓝色）的两个声波向右传播。资料来源：《美国国家科学院院刊》（2023 年）。DOI: 10.1073/pnas.2307049120
 

斯坦福大学和丹麦技术大学的研究人员设计出了一种尖端的 X 射线显微镜，能够直接观测最微小尺度的声波--晶体内的晶格级。这些研究成果发表在上周的《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上，可能会改变科学家研究材料超快变化及其特性的方式。

"研究人员之一、斯坦福大学和 SLAC 的助理教授 Leora Dresselhaus-Marais 说："晶体材料的原子结构决定了它们的特性和相关应用的'用途'。

"晶体缺陷和原子尺度的位移说明了为什么在相同的作用力下，有些材料会增强，而有些材料则会破碎。铁匠和半导体制造已经完善了我们控制某些类型缺陷的能力，然而，如今很少有技术能够在适当的尺度上对这些动态进行实时成像，以解决这些扭曲与体质特性之间的联系。"

在这项新工作中，研究小组在金刚石晶体中产生声波，然后使用他们开发的新型 X 射线显微镜直接对晶格内部的微妙畸变进行成像。他们利用 SLAC 的里纳克相干光源 (LCLS) 的超快和超亮脉冲，在这些原子级振动自然发生的时间尺度上完成了这项工作。

研究人员沿着晶格衍射的光束放置了一个特殊的X射线透镜，以过滤掉晶体中 "完美包装 "的部分，并将声波和缺陷造成的晶体结构扭曲归零。

"德雷斯豪斯-马赖斯说："我们利用这一点来描绘超快激光如何通过失衡声波在晶体前后表面的连续反射，将光能转化为热能。"德雷斯豪斯-马里斯说："通过在钻石--一种具有最快声速的晶体--中展示这一点，我们说明了现在利用我们的显微镜研究晶体内部深处新现象的新机会。

这些成果确定了一种在不损坏材料的情况下观察材料超快变化的方法。在这项发现之前，研究人员使用的工具速度太慢，无法看到这些变化。这很重要，因为许多事情，如热量如何流动或声波如何传播，都取决于这些快速变化。

这一突破的影响横跨各个学科，从材料科学到物理学，甚至延伸到地质学和制造业等领域。通过了解导致材料中更大的可观测事件的原子级变化，科学家们可以更清晰地了解材料中的转化、熔化过程和化学反应--获得新的13个数量级的时间尺度。

"德雷斯豪斯-马里斯说："这一新工具为我们提供了一个独特的机会，研究由晶格内部缺陷、原子失真或其他局部刺激引起的罕见事件如何导致材料发生宏观变化。

"虽然我们对材料宏观变化的理解已经相当先进，但我们往往忽略了哪些'唆使事件'最终导致了我们在更大尺度上观察到的相变、熔化或化学变化的细节。现在，超短时间尺度唾手可得，我们有能力在其原始时间尺度上寻找这些罕见事件。

参考资料

Theodor S. Holstad et al, Real-time imaging of acoustic waves in bulk materials with X-ray microscopy, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2307049120​

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