美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的研究人員首次使用X射線激光觀察并直接測(cè)量極子的形成。 極子是材料中原子晶格的扭曲，在幾萬億分之一秒的時(shí)間內(nèi)圍繞著一個(gè)移動(dòng)的電子形成，然后迅速消失。盡管它們的持續(xù)時(shí)間很短，但它們確實(shí)會(huì)影響材料的行為。它們可能就是為什么用鉛混合過氧化物制成的太陽能電池板可以在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到高效率的原因。
研究人員表示，這種材料因?yàn)樾矢摺⒊杀镜投L(fēng)靡太陽能研究。盡管性能優(yōu)異，但研究人員對(duì)其工作的原因卻爭(zhēng)論不休。一些人理論上認(rèn)為，極子可能參與了其中過程。不過，新的實(shí)驗(yàn)還是第一次直接觀察到這些畸變的形成，包括它們的大小、形狀以及它們是如何演變的。
過氧化物是一種晶體材料，其名稱來源于礦物過氧化物。研究人員大約在十年前開始將這種晶體材料融入到太陽能電池中，穩(wěn)步提高了太陽能電池的效率。有趣的是，過氧化物成分內(nèi)的缺陷數(shù)量應(yīng)該抑制電流的流動(dòng)，但事實(shí)并非如此。
在研究該材料中存在著挑戰(zhàn)。盡管它們高效且易于制造，但它們非常不穩(wěn)定，暴露在空氣中時(shí)會(huì)分解，并且含有鉛，必須遠(yuǎn)離環(huán)境。這項(xiàng)研究的研究人員使用了實(shí)驗(yàn)室的Linac相干光源，這是一種強(qiáng)大的X射線自由電子激光器，能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行近原子細(xì)節(jié)的成像。它還能夠捕捉以百萬億分之一秒為單位發(fā)生的原子運(yùn)動(dòng)。
該團(tuán)隊(duì)觀察了斯坦福大學(xué)的一位研究人員合成的材料單晶。在研究過程中，該團(tuán)隊(duì)用光學(xué)激光器的光照射材料樣品，然后用X射線激光觀察材料在幾十萬億分之一秒內(nèi)的反應(yīng)。觀測(cè)結(jié)果顯示，極子畸變從微觀尺度上開始，約為固體中原子間間距的大小，并迅速向四周擴(kuò)展，直徑約為50億分之一米。這種作用在皮秒的時(shí)間內(nèi)，在一個(gè)大致球形的區(qū)域內(nèi)，將大約十層原子稍稍向外推移。
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