2018年6月28日
美國國家加速器實驗室
單晶金超快固液相轉變的兆電子伏電子衍射研究。( A至C )在e = 1.17 MJ / kg的均勻熔化的選擇性泵-探針延遲時間處原始衍射圖案的快照。( E至G ) E = 0.36兆焦耳/千克的非均相熔化。( I至K ) e = 0.18兆焦耳/千克時的不完全熔化。對於這些不同的能量密度，在( D )、( H )和( L )中分別示出了所顯示的衍射圖案的徑向平均線列以及在負延遲下取得的參考線列。彩條以任意單位表示散射強度。圖片: (三)《科學》( 2018年)。DOI : 10.1126 /科學
能源部的SLAC國家加速器實驗室的研究人員已經記錄了最詳細的被激光轟擊後金熔化的原子錄像視頻。他們對金屬液化方式的深入瞭解有助於熔融動力反應堆、鋼鐵加工廠、航天器和其他材料必須長期承受極端條件的應用的發展。
核聚變是給太陽這樣的恆星提供能量的過程。科學家希望在地球上覆制這一過程，作為一種相對清潔和安全的方式來產生幾乎無限量的能量。但是要建造一個融合反應爐，他們需要能夠在數億華氏度的溫度和融合反應產生的強烈輻射下生存的材料。
“我們的研究是朝著更好地預測效果邁出的重要一步，SLAC博士後研究員米安真莫說，他是今天出版的一項研究的主要作者之一科學。“對熔化過程的原子級描述將有助於我們更好地模擬這些材料的短期和長期損傷，例如裂紋形成和材料失效。"
這項研究使用了SLAC的高速電子照相機——超快電子衍射( UED )儀器——它能夠以大約十億分之一秒或100飛秒的快門速度跟蹤核子運動。
口袋融化
研究小組發現，熔化始於金樣品中納米顆粒的表面——金原子整齊排列成晶體的區域——以及它們之間的邊界。
SLAC高能密度科學部門負責人、該研究的主要研究人員西格弗裡德·格倫澤說:“這種行為在理論研究中已經被預測，但我們現在實際上是第一次觀察到這種行為。”。“我們的方法使我們能夠在原子細節上檢查任何材料在極端環境中的行為，這是理解和預測材料性能的關鍵，也為未來材料的設計開闢了新的途徑。"
為了研究熔化過程，研究人員將激光束聚焦在金晶體樣本上，並使用UED儀器的電子束作為探針，觀察晶體中原子核的反應。通過拼接激光擊中後不同時間拍攝的原子結構快照，他們製作了一部結構隨時間變化的停止運動錄像。
SLAC博士後研究員、該項研究的主要作者之一陳智強說:「激光閃光後約7至8萬億分之一秒，我們看到固體開始變成液體。」“但固體並沒有同時到處液化。相反，我們觀察到固體金包圍的液體袋的形成。這種混合物隨時間演變，直到大約十億分之一秒後只剩下液體。"
超級“電子視覺”
為了達到這樣的細節水平，研究人員需要一種特殊的照相機，比如SLAC的UED儀器，它能夠看到原子的組成材料並且足夠快來跟蹤原子核。
由於熔化過程具有破壞性，儀器的另一個特點也是絕對重要的。
“在我們的實驗中，樣品最終熔化和蒸發了，”加速器物理學家、SLAC的UED倡議負責人王希傑說。“但即使我們能夠冷卻它，使它再次變成固體，它也不會有完全相同的起始結構。所以，對於原子錄像的每一幀，我們都希望在一次單鏡頭實驗中收集所有的結構信息——電子束通過樣品的一次通過。我們之所以能夠做到這一點，是因為我們的儀器使用了一種非常有活力的電子束產生了強烈的信號。"
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