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氣泡 物理學(xué)家第一次觀測到了轉(zhuǎn)瞬即逝的“極化子”準(zhǔn)粒子



氣泡 物理學(xué)家第一次觀測到了轉(zhuǎn)瞬即逝的“極化子”準(zhǔn)粒子
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極化子是一種重要的納米級現(xiàn)象：電子和原子之間的一種瞬態(tài)結(jié)構(gòu)（稱為準(zhǔn)粒子），只存在萬億分之一秒。這些構(gòu)型具有著獨(dú)特的特性，可以幫助我們理解組成它們的物質(zhì)的一些神秘行為。剛剛，科學(xué)家們第一次觀測到了它們。
這次，極化子是在鉛雜化鈣鈦礦中測得的。鈣鈦礦是下一代太陽能電池材料，有望提高轉(zhuǎn)換率，其性能超過目前主要使用的硅電池板。科學(xué)家們希望極化子的觀測，能在某種程度上告訴我們鈣鈦礦是如何將陽光轉(zhuǎn)化為電的。
為了找到極化子，科學(xué)家們用一種被稱為“直線加速器相干光源（LCLS）”的巨型X射線自由電子激光器對鉛雜化鈣鈦礦單晶進(jìn)行了研究。這種激光器能夠在最短的時間內(nèi)，以最小的尺度對材料進(jìn)行成像，最短的時間可達(dá)萬億分之一秒（或皮秒）。


氣泡 物理學(xué)家第一次觀測到了轉(zhuǎn)瞬即逝的“極化子”準(zhǔn)粒子
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上圖：鉛雜化鈣鈦礦中的極化子。美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的物理學(xué)家告訴我們：“當(dāng)你用光照射一種材料時，就像在太陽能電池中發(fā)生的那樣，電子會被釋放，這些自由電子開始在材料周圍移動。很快，它們就被一種局部扭曲的氣泡包圍和吞沒了，這種氣泡就是極化子。一些人認(rèn)為，這個氣泡可以保護(hù)電子不被材料中的缺陷散射掉，并有助于解釋為什么它們能如此有效地到達(dá)太陽能電池的觸點(diǎn)，以電流的形式流出。”
盡管，鈣鈦礦作為太陽能電池板材料很有前途，但其原因還不完全清楚：它們有很多缺陷，限制了電流通過它們的能力，而且它們以易碎和不穩(wěn)定著稱。極化子也許能提供一些答案。
這些極化子本質(zhì)上是材料原子晶格結(jié)構(gòu)的短暫移動扭曲，并向外移動了大約10層原子。這種扭曲使周圍原子的間距增加了約50倍，達(dá)到50億分之一米，超過幾十皮秒。
這些微小的扭曲或氣泡比科學(xué)家預(yù)期的要大，這是由于混合鈣鈦礦的柔性和軟原子晶格結(jié)構(gòu)所允許的。這種物質(zhì)在某些方面同時表現(xiàn)為固體和液體。


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斯坦福大學(xué)的材料科學(xué)家解釋道：“這些材料由于效率高、成本低，在太陽能研究領(lǐng)域掀起了一場風(fēng)暴，但人們?nèi)匀粚λ鼈兊墓ぷ髟頎幷摬恍荨O化子可能已經(jīng)存在很多年了，但我們的實(shí)驗(yàn)是第一次直接觀察到這些局部扭曲的形成，包括它們的大小、形狀和演化方式。”雖然，鈣鈦礦已經(jīng)被用于太陽能生產(chǎn)中，通常與硅結(jié)合使用，但它們也并非沒有挑戰(zhàn)。盡管我們已經(jīng)看到這些材料可顯著提高效率，但據(jù)推測它們具有更大的能力。
隨著時間的流逝，科學(xué)家繼續(xù)克服各種障礙，使太陽能電池板效率保持在其應(yīng)有的水平之上。并且，由于我們對太陽能發(fā)電場的依賴性不斷提高，即使僅有幾個百分點(diǎn)的改善也可以帶來很大的不同。
然而，研究極化子的科學(xué)家們強(qiáng)調(diào)，他們還沒有全面了解圍繞這些準(zhǔn)粒子的所有問題 —— 關(guān)于它們對鈣鈦礦和其他材料的影響，還有很多要了解的。
雖然，這次的研究實(shí)驗(yàn)已經(jīng)直接地表明這些物體確實(shí)存在，但它并沒有說明極化子對太陽能電池效率的貢獻(xiàn)。為了了解這些過程如何影響這些材料的性能，科學(xué)家們還需要做更多的工作。
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