研究人员首次观察到极化子的形成

能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员首次使用 X 射线激光观察并直接测量极化子的形成。极化子是一种材料中原子晶格的扭曲，它在几万亿分之一秒内围绕一个移动的电子形成，然后迅速消失。尽管它们的持续时间很短，但它们确实会影响材料的行为。它们可能就是用铅混合钙钛矿制成的太阳能电池板可以在实验室中达到高效率的原因。

研究人员表示，这种材料因其高效率和低成本而在太阳能研究中风靡一时。尽管性能如此，研究人员仍在争论它们的工作原理。一些人推测极化子可能会参与数年。尽管如此，新实验还是第一个直接观察这些扭曲形成的实验，包括它们的大小、形状以及它们如何演变。

钙钛矿是晶体材料，其名称来自矿物钙钛矿。大约十年前，研究人员开始将晶体材料纳入太阳能电池，稳步提高太阳能电池的效率。有趣的是，钙钛矿组件中的缺陷数量应该会抑制电流的流动，但事实并非如此。

在处理材料方面存在挑战。尽管效率高且易于制造，但它们非常不稳定，暴露在空气中会分解，并且含有必须远离环境的铅。这项研究的研究人员使用实验室的直线加速器相干光源，这是一种强大的 X 射线自由电子激光器，能够以接近原子的细节对材料进行成像。它还能够捕捉发生在十亿分之一秒内的原子运动。

该团队研究了斯坦福大学的一名研究人员合成的材料的单晶。在研究过程中，该团队用光学激光器发出的光击中了材料样本，然后使用 X 射线激光器观察了材料在数十万亿分之一秒内的反应情况。观测结果揭示了极化子畸变，从微观尺度上开始，大约是固体中原子间距的大小，并迅速向各个方向向外扩展，直径约为十亿分之一米。在皮秒的跨度内，该动作在大致球形区域内略微向外推动了大约十层原子。