热电材料将热量转化为电能，反之亦然，其原子结构跟它们的性能如何密切相关。现在，研究人员已经发现如何利用强烈的激光脉冲改变一种高效的热电材料--硒化锡的原子结构。这项成果开辟了一条新的途径进而通过控制其结构来改善热电材料和一系列其他材料，并创造出具有戏剧性的新特性的材料，这些特性可能在自然界中不存在。
在美能源部SLAC国家加速器实验室进行的实验中发挥了重要作用的斯坦福大学研究生Yijing Huang说道：“对于这类材料来说，这是非常重要的，因为它们的功能特性跟它们的结构有关。通过改变你投入的光的性质，你可以定制你创造的材料的性质。”
实验是在SLAC的X射线自由电子激光器，即直线极速器相干光源(LCLS)进行的。这些结果于2022年2月14日发表在《Physical Review X》上报道并将在一个专门讨论超快科学的特刊中重点介绍。
热 vs. 光
由于热电技术将废热转化为电能，因此被认为是一种绿色能源。热电发电机为阿波罗登月项目提供了电力，研究人员一直在研究如何利用它们将人体的热量转化为电力从而为小工具充电及其他一些事情。反向运行时，它们会产生一个热梯度，进而可用于在没有移动部件的冰箱中冷藏葡萄酒。
硒化锡被认为是最有前途的热电材料之一，它以单个晶体的形式生长，相对便宜且易于制造。Huang称，跟许多其他热电材料不同，硒化锡是无铅的且它是一种更有效的热转换器。由于它由规则的立方体晶体组成，类似于岩盐的晶体，它也相对容易制造和修补。
为了探索这些晶体对光的反应，研究小组用近红外激光的强脉冲照射硒化锡以改变其结构。光线激发了样品原子中的电子并移动了其中一些原子的位置、扭曲了它们的排列。
然后研究人员用来自LCLS的X射线激光脉冲跟踪并测量了这些原子运动以及由此产生的晶体结构的变化，其速度则快到足以捕捉到发生在百万分之一秒内的变化。
这项研究的报告共同作者、SLAC和斯坦福大学的教授、斯坦福PULSE研究所所长David Reis表示：“你需要LCLS提供的超快脉冲和原子分辨率来重建原子的移动位置。如果没有这一点，我们就会把故事弄错。”
一个惊人的结果
这个结果是相当出乎意料的，当Huang告诉团队其他成员她在实验中看到的情况时他们很难相信她。
改变硒化锡原子结构的一个屡试不爽的方法是施加热量，它以一种可预测的方式改变材料，实质上是让这种特殊材料的性能更好。传统的看法是，应用激光会产生跟加热基本相同的结果。
“这就是我们最初认为会发生的事情，”SLAC的工作人员科学家Mariano Trigo说道，“但经过近两年的讨论，Yijing终于说服了团队的其他成员，不，我们正在推动材料走向一个完全不同的结构。我认为这个结果违背了大多数人的直觉，即当你把电子激发到更高的能级时会发生什么。”他是SLAC的斯坦福材料和能源科学研究所(SIMES)的调查员。
杜克大学的研究生Shan Yang的理论计算证实，对实验数据的这种解释是正确的。“这种材料和它的类别当然非常有趣，因为它是一个小的变化可能导致非常不同结果的系统。但用光制作全新结构的能力--我们不知道如何用任何其他方式制作的结构--大概比这更普遍。”
另外，Yang还补充称，它可能有用的一个领域是几十年来对制造超导体--无损耗地导电的材料--在接近室温下工作的探索。