“Frustration”加上激光脈衝(chong) ，賓夕法尼亞(ya) 州立大學和阿貢國家實驗室、加州大學伯克利分校以及其他兩(liang) 個(ge) 國家實驗室的研究人員組成了一個(ge) 穩定的“超級晶體(ti) ”。這是由亞(ya) 皮秒激光脈衝(chong) 產(chan) 生能量改變物質長期穩定狀態的第一個(ge) 例子。該團隊的目標是在能源部支持下，發現自然界中不存在平衡具有不尋常性質的物質有趣狀態。賓夕法尼亞(ya) 州立大學研究小組組長、材料科學教授文卡特拉曼·戈帕蘭(lan) (Venkatraman Gopalan)表示：我們(men) 正在尋找物質的隱藏狀態，方法是把物質從(cong) 它舒適的狀態(我們(men) 稱之為(wei) 基態)中取出來。

博科園-科學科普：利用光子將電子激發到更高的狀態，然後觀察材料恢複到正常狀態。在激發態，或者在到達基態的一眨眼時間裏，會(hui) 發現我們(men) 想要的特性，比如新形的極性、磁性和電子態。當激光以400納米藍光的波長向樣品發射100飛秒的光子時，通過泵浦探測技術可以發現這些狀態。泵浦光將電子激發到更高的能量狀態，然後很快就會(hui) 產(chan) 生探針光，這是一種更柔和的光脈衝(chong) ，讀取材料的狀態。團隊麵臨(lin) 的挑戰是找到一種方法來維持物質的中間狀態，因為(wei) 這種狀態可能隻存在一小部分秒，然後就消失了。然而，研究人員發現，在室溫下，超級晶體(ti) 基本上永遠處於(yu) 這種狀態。

3 d圖像的supercrystalμ-PRO相場模擬使用軟件。圖片：L-Q Chen Group, Penn State戈帕蘭(lan) 將這一挑戰比作把球滾下山。它要到山腳才會(hui) 停下來，除非有什麽(me) 東(dong) 西擋住它的去路，比如一塊突出的岩石。團隊通過“破壞係統”來實現這一點——不允許材料做它想做的事情，也就是允許它在沒有限製的情況下完全最小化它的能量。研究人員將鈦酸鉛和鈦酸鍶這兩(liang) 種材料的單原子層疊加在一起，形成了一個(ge) 三維結構。鈦酸鉛是一種鐵電性材料，是一種極性材料，它具有電極化導致材料中的正極和負極。鈦酸鍶不是鐵電材料。這種不匹配迫使電極化矢量走了一條非自然的路，彎曲回來形成漩渦，就像水沿著排水溝旋轉一樣。伯克利研究小組將這些層生長在晶體(ti) 襯底上，襯底的晶體(ti) 大小介於(yu) 兩(liang) 層材料之間。

這提供了第二個(ge) 層次的“Frustration”，因為(wei) 鈦酸鍶層試圖拉伸以符合襯底的晶體(ti) 結構，而鈦酸鉛必須壓縮以符合襯底的晶體(ti) 結構。這使得整個(ge) 係統處於(yu) 一種微妙但“Frustration”的狀態，多個(ge) 相隨機分布在體(ti) 中。在這一點上，研究人員用激光脈衝(chong) 對材料進行轟擊，激光脈衝(chong) 在材料中釋放出自由電荷，給係統增加額外的電能，使其進入一種新的物質狀態，一種超級晶體(ti) 。這些超級晶體(ti) 有一個(ge) 單元細胞（晶體(ti) 中最簡單的重複單元）比任何普通無機晶體(ti) 都要大得多，其體(ti) 積是原始兩(liang) 種材料單元細胞的一百萬(wan) 倍。材料會(hui) 自己找到這種狀態。

與(yu) 瞬態不同的是，這種超晶體(ti) 狀態在室溫下可能會(hui) 永久存在（至少在本研究中是一年）除非它被加熱到350華氏度左右，然後被擦除。這個(ge) 過程可以重複，用光脈衝(chong) 撞擊材料，然後用熱擦除。這種狀態隻能由具有一定最小閾值能量的超短激光脈衝(chong) 產(chan) 生，而不能通過將該能量分散到長脈衝(chong) 上。賓夕法尼亞(ya) 州立大學和阿爾貢國家實驗室共同擁有的博士後學者弗拉德·斯托伊卡(Vlad Stoica)和第一作者利用高能x射線衍射對超晶體(ti) 形成前後進行了檢測，清楚地顯示出無序物質向超晶體(ti) 的轉變。研究成果於(yu) 2019年3月18日發表在《自然材料》上。由於(yu) 超快激光脈衝(chong) 持續時間短，它能以比材料固有響應時間更快的速度在材料上刻下激勵信號。

雖然幾十年來，人們(men) 已經在探索這種動態轉變，以刺激材料的有序排列，但直到現在，穩定材料狀態的策略似乎還遙不可及。Argonne研究人員利用高分辨率x射線衍射和納米級成像技術觀察了不可逆結構重排的演化過程。第一次觀察到，對人工層狀極性材料進行一次超快激光脈衝(chong) 輻照，可以從(cong) 相對無序狀態開始，誘導出長距離的結構完美。這個(ge) 實驗演示已經刺激了理論的發展，對未來實現傳(chuan) 統製造無法實現的人工納米材料具有重要意義(yi) 。《具有三維納米周期性的超晶體(ti) 的光學創造》通訊作者、阿爾貢國家實驗室(Argonne National Lab)的科學家約翰·弗裏蘭(lan) (John Freeland)說：

先進光子源的x射線和超快光源的結合，為(wei) 我們(men) 探索超晶體(ti) 的納米結構提供了最好的機會(hui) ，同時也讓我們(men) 有能力理解為(wei) 什麽(me) 這種材料可以反複地從(cong) 有序狀態變為(wei) 無序狀態，這些信息，連同模型，讓我們(men) 對這個(ge) 新階段產(chan) 生的物理現象有了非常深刻的了解。陳龍慶在賓夕法尼亞(ya) 州立大學的理論小組使用相場軟件包mu-PRO進行計算機計算，該軟件包對實驗結果進行了嚴(yan) 密的模擬。非常值得注意的是，相場模擬能夠預測超晶體(ti) 的三維真實空間圖像，其衍射模式通常與(yu) 實驗模式相匹配，並識別出超晶體(ti) 穩定性的一係列熱力學條件。這樣的綜合實驗和計算研究是非常有用和富有成效的。橡樹嶺國家實驗室和勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室的其他團隊成員也參與(yu) 了這項研究工作。

博科園-科學科普｜研究/來自: 賓夕法尼亞(ya) 州立大學參考期刊文獻:《Nature Materials》DOI: 10.1038/s41563-019-0311-x博科園-傳(chuan) 遞宇宙科學之美參考期刊文獻:《Nature Materials》DOI: 10.1038/s41563-019-0311-x博科園-傳(chuan) 遞宇宙科學之美