超快表面X-射线散射技术示意图。该技术将光泵与X-射线自由电子激光探针耦合，可在飞秒尺度上研究分子动力学。
eurekalert.org网站3月11日报道，《自然•光子学》杂志网络版载文称，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（ANL）与华盛顿大学（University of Washington）和DOE SLAC国家加速器实验室等合作，利用强大的X-射线，开发了一种名为超快表面X-射线散射的新技术，该技术可以使科学家们在超高精度下观察原子在二维材料上的超快速运动情况，并揭示二维原子级材料受激光脉冲激发后产生的结构变化。ANL研究人员Haidan Wen说：“将超快表面X-射线散射技术应用于单层材料的研究是一个重大进步。它可以向我们展示原子在材料表面和材料界面之间的奇特行为。”
与以往的表面X-射线散射不同，新技术不仅能够提供材料表面原子的静态图像，还能捕捉激光激发后，原子在极短时间尺度（约万亿分之一秒）内的运动情况。静态表面X-射线散射和部分时间相关的表面X-射线散射一般是在同步加速器X-射线源上进行，而超快表面X-射线散射则需要用到SLAC的线性相干光源（LCLS）X-射线自由电子激光器。这种光源提供的X-射线非常明亮，曝光时间极短（约50飞秒）。通过快速地将大量光子传输到样品中，研究人员就能得到足够强的时间分辨散射信号，从而可视化二维材料中原子的运动情况。ANL研究人员、X-射线物理学家Hua Zhou说：“表面X-射线散射本身就非常具有挑战性了，将其扩展到单层材料的研究领域，代表着重大的技术进步。”
在二维材料中，原子在静态条件下通常会沿三维方向轻微振动。然而，在极短的时间尺度内，原子却表现出不同的行为。利用超快表面X-射线散射技术，Wen和博士后研究员I-Cheng Tung等对二维材料二硒化钨进行了研究。当单层材料被激光脉冲击中时，激光的能量使原子在材料平面内的运动情况产生了违背直觉的效果。Wen说：“通常情况下，人们认为原子会离开平面。但在此处，我们看到激发后的原子主要仍在平面内振动。”
研究人员首先在DOE先进光资源（APS）上获得了初步的表面X-射线散射测试数据。Wen认为，虽然初步测试并非是在超快速度下进行的，但也为研究人员使用LCLS的实验提供了校准方法。华盛顿大学教授Xiaodong Xu认为，原子移动的方向和晶格变化的方式均对二硒化钨等二维材料的性质有重要影响。他说：“由于这类二维材料的丰富物理特性，科学家们对利用它们来探索物理基本现象及其在电子、光子学方面的潜在应用很感兴趣。将单个原子晶体中的原子运动可视化是一个真正的突破，它将使我们能够理解、进而定制能源相关的特殊材料。”SLAC和斯坦福大学教授Aaron Lindenberg表示，这项研究为科学家提供了一种探测二维材料中结构扭曲的新方法。这对了解二维材料的特点、材料界面特性和电子设备的使用均有实际意义。
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：唐林芳
期刊来源：《自然•光子学》
期刊编号：1749-4885
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-03/dnl-uau031119.php
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