“飛秒成像”—記錄熱量在材料內的傳播過程

材料牛注：明尼蘇達大學的研究人員采用最先進的超快電子顯微鏡首次記錄下了熱量以音速穿過納米尺寸材料的視頻，這對理解材料內部的運動具有重要意義，有利于設計研究出用途更廣泛的材料。

能量具有多種形式，其中熱是最其常見的形式之一。熱能是諸如電力傳輸以及交通運輸等重要場合中能量損失的最主要形式。例如，汽車中汽油的能量室友70%以熱的形式損耗掉的。因而，在公共基礎設施建設時往往會考慮到散熱等問題。

材料科學家和工程師們早已開始研究如何在原子層面上控制熱能，希望能夠將熱能進行循環使用、提高能量使用效率，并最終減少化石燃料的使用。只有了解了熱量穿過材料的過程,研究才會有進一步突破。不盡如人意的是捕獲熱量運動這一基本物理過程的成像并不是件易事。這是因為熱量成像時分辨率應在納米尺寸上，而熱運動的速度卻達數英里每秒，這無疑給成像帶來了巨大的困難。

為了解決出現的難題，對熱能的運動進行成像，研究人員使用了一種先進的超快電子顯微鏡。它能在數飛秒內檢測到材料內部原子和分子尺度的運動。在這項研究中，他們用一個簡易的激光脈沖激發電子，這也快速加熱了聯硒化鎢和鍺晶體。就此，他們捕獲到了熱能波穿過晶體的慢動作視頻。

波陣面穿透材料的過程看起來就如同石頭掉入水中泛起的漣漪一般。視頻中顯示的波是以6納米/皮秒的速度移動。映射的振動能量，也即是聲子，它對詳細理解熱運動的本質有很重要的作用。

科學家們想了解、控制、以及利用熱運動，期望精確引導它去完成有用的工作以及將它快速從敏感組件移走。由于熱運動在時間尺度極快，在空間尺度又極微小，因為充分了解材料內部的熱運動都是極其困難的。

此次觀察到波陣面運動的視頻將有助于我們理解其內部運動。它對單個原子在振動所扮演的角色和納米尺度特性提供了一個全新的認識，這可以幫助工程師更好的設計出用途更廣泛的材料。

該項研究最近已發表在Nature Communications上。

全文參考鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160415125941.htm

感謝材料人網編輯部黃語嫣供稿！