编者按：位于SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）拥有了目前世界上最强的X射线激光，它如同一台配备了“超级闪光灯”的高速摄像机，可用于拍摄原子层面的“录像”，以帮助科学家更直观地观测化学反应和材料的各种物理现象。

　　在不久前，通过LCLS观测原子核边的“电声”之舞（电子与声子的相互作用），研究人员先后发表了两篇顶级期刊上的研究论文。

　　基于LCLS的强大功能，研究人员可以直接观察对热-电材料、超导材料等中的电子和声子，以便于对其工作原理进行更好的物理建模，最终孕育出更多新一代的“黑材料”和“黑科技”。

　　有些透明有些隔光，有些导电有些绝缘——材料为什么会体现出各种各样的特性？一个主要原因就在于，它们的电子在原子晶格之间的运动方式不同。当然，原子组成的晶格也处于永不停息的振动中。在固体物理学中，用声子来描述晶格的简谐振动。

　　声子和电子之间相互作用的研究有何意义？首先，该研究有助于提高太阳能电池将太阳能转化成光能的效率；其次，声子-电子相互作用在超导材料导电过程中也起着重要作用；再次，拓扑绝缘材料和磁致可变电阻材料的研究也依赖于声子-电子之间相互作用的研究。

　　激光脉冲激发固体材料中电子（白色球体），产生原子核（黑色和蓝色球体）晶格振动的示意图。SLAC的LCLS激光器能够观察到这些迅如闪电的“电声之舞”——电子-声子相互作用。这种相互作用决定了材料的很多重要特性。图片来源：SLAC国家加速器实验室。

　　在美国能源部国家加速器实验室的斯坦福直线加速器中心（SLAC），科学家们借助世界上最强的X射线激光——直线加速器相干光源（Linac Coherent Light Source，LCLS），能够以前所未有的分辨率研究声子-电子相互作用。LCLS是美国能源部下属的诸多科学研究机构之一。

　　LCLS主管迈克·杜恩（Mike Dunne）表示，材料科学旨在研究材料内部的结构，制造符合人类要求的新材料。LCLS的核心任务是对材料内部展开研究并建立模型，并以此服务于下一代电子和能源新材料的研发。

　　LCLS有点像一个大号的相机闪光灯。它发射极强的X射线激光照射材料，对材料以原子级的空间分辨率和飞秒级的时间分辨率进行成像。1飞秒是一秒钟的千万亿分之一。这是一个什么概念呢？1飞秒除以1秒的结果，等于7分钟除以宇宙的年龄。

　　基于LCLS强大性能的两个研究成果于近期先后发表在了顶级期刊上。第一个是关于高效热-电转换材料碲化铅的工作原理；另一个是关于晶体铬材料的电荷密度波（charge density wave）。

DT君吐血推荐：堪比史诗巨作的LCLS II宣传片

（友情提示，戴上耳机效果更佳）

　　热与电的互换

　　当一块碲化铅是一种热-电材料——当两侧温度不同时，碲化铅将产生电压。而其出色的热-电转换效率引起了科学家的注意。

　　来自斯坦福PULSE研究所和材料与能源科学研究所（SIMES）（这两个机构都由斯坦福大学和SLAC合办）科学家马里亚诺·提格（Mariano Trigo）表示，碲化铅可以用来为未来的火星车提供电力，也可以将汽车排放的废热转化为电能。

　　热电材料还有一种使用方式——如果在碲化铅材料的两侧加电压，它就可以制造出温差，这样一来就可以用来制造制冷设备。

　　斯坦福大学PULSE和SIMES的研究生蒋·梅森（Mason Jiang）表示，碲化铅有2个特别的属性：一是导热性很差，因此不会把热从材料一端导向另一端；二是导电性很好，因此碲化铅可以高效地将热能转化为电能。

　　在热作用下，材料晶格振动与电子运动的相互作用产生了这两个特性。而LCLS则帮助了科学家们进一步了解材料内部的物理机制。

　　科学家用极短的红外激光脉冲激发了碲化铅中的电子，然后用LCLS的X射线激光来探查材料晶格在这股能量作用下振动的具体原理。

　　供职于PULSE, SIMES和斯坦福大学的首席研究员戴维·雷斯（David Reis）表示，碲化铅材料的电子-晶格结构处于一种不太稳定的临界态，这种不稳定临界态是碲化铅材料热-电效应的关键。