研究人员首次在实验中观察到极子的形成

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  美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员首次使用X射线激光观察并直接测量极子的形成。 极子是材料中原子晶格的扭曲,在几万亿分之一秒的时间内围绕着一个移动的电子形成,然后迅速消失。尽管它们的持续时间很短,但它们确实会影响材料的行为。它们可能就是为什么用铅混合过氧化物制成的太阳能电池板可以在实验室中达到高效率的原因。

  研究人员表示,这种材料因为效率高、成本低而风靡太阳能研究。尽管性能优异,但研究人员对其工作的原因却争论不休。一些人理论上认为,极子可能参与了其中过程。不过,新的实验还是第一次直接观察到这些畸变的形成,包括它们的大小、形状以及它们是如何演变的。

  过氧化物是一种晶体材料,其名称来源于矿物过氧化物。研究人员大约在十年前开始将这种晶体材料融入到太阳能电池中,稳步提高了太阳能电池的效率。有趣的是,过氧化物成分内的缺陷数量应该抑制电流的流动,但事实并非如此。

  在研究该材料中存在着挑战。尽管它们高效且易于制造,但它们非常不稳定,暴露在空气中时会分解,并且含有铅,必须远离环境。这项研究的研究人员使用了实验室的Linac相干光源,这是一种强大的X射线自由电子激光器,能够对材料进行近原子细节的成像。它还能够捕捉以百万亿分之一秒为单位发生的原子运动。

  该团队观察了斯坦福大学的一位研究人员合成的材料单晶。在研究过程中,该团队用光学激光器的光照射材料样品,然后用X射线激光观察材料在几十万亿分之一秒内的反应。观测结果显示,极子畸变从微观尺度上开始,约为固体中原子间间距的大小,并迅速向四周扩展,直径约为50亿分之一米。这种作用在皮秒的时间内,在一个大致球形的区域内,将大约十层原子稍稍向外推移。

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