热电材料可以将热能转化为电能，反之亦然，它们的原子结构与性能密切相关。

研究人员发现了如何利用强激光脉冲改变高效热电材料硒化锡的原子结构。这一结果开辟了一条新途径，通过控制它们的结构来改进热电和许多其他材料，创造出自然界中可能不存在的具有惊人新特性的材料，室温下的超导体量产或许也将指日可待。

插图显示了硒化锡（一种可以将热量转化为电能的结晶材料）的原子结构在暴露于热或超快激光时如何变化。中间的结构是在室温下。从这个角度来看，加热（左）将顶部和底部的原子向左移动了一点，并巧妙地移动了其他一些原子。科学家们认为将材料暴露在超快激光下会起到同样的作用。相反，它的原子以新的方式移动（右）。SLAC 的 X 射线自由电子激光器 LCLS 让研究人员首次看到了这些原子运动和结构扭曲，为用光定制材料开辟了一条新途径。图片来源：黄一静/斯坦福大学

“对于这类材料来说非常重要，因为它们的功能特性与其结构相关，”斯坦福大学研究生黄一静在能源部 SLAC 国家加速器实验室的实验中发挥了重要作用，他说：“通过改变你输入的光的性质，你可以定制你创造的材料的性质。”

实验在 SLAC 的 X 射线自由电子激光器、直线加速器相干光源 (LCLS) 上进行。该结果在Physical Review X上进行了报道，并将在一个致力于超快科学的特别收藏中突出显示。

热与光

因为热电将废热转化为电能，所以它们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电力，研究人员一直在寻找利用它们将人体热量转化为电能为小工具充电等的方法。反向运行，它们会产生一个热梯度，可用于在没有移动部件的冰箱中冷却葡萄酒。

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。黄说，与许多其他热电材料不同，硒化锡是无铅的，而且它是一种效率更高的热转换器。由于它由规则的立方体状晶体组成，类似于岩盐，因此制作和修补也相对容易。

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撞击硒化锡以改变其结构。光激发了样品原子中的电子，并改变了其中一些原子的位置，扭曲了它们的排列。

然后，研究人员使用来自 LCLS 的 X 射线激光脉冲跟踪和测量了这些原子运动以及由此产生的晶体结构变化，这些脉冲的速度足以捕捉在十亿分之一秒内发生的变化。

这张来自 SLAC 的 X 射线自由电子激光器实验数据的插图显示了当暴露于超快激光时，称为硒化锡的热电材料的原子如何从室温位置移动（红色箭头）。紫色圆圈代表硒原子，绿色圆圈代表锡原子。科学家们曾认为热和光会产生相同的效果，所以这个结果令人惊讶。该研究展示了一种用光塑造材料结构和相关特性的新途径。图片来源：黄一静/斯坦福大学

“你需要 LCLS 为我们提供的超快脉冲和原子分辨率来重建原子的移动位置，”该研究的合著者、SLAC 和斯坦福大学教授、斯坦福脉冲研究所所长 David Reis 说：“如果不是这样，我们就会把故事弄错了。”

惊人的结果

这个结果非常出乎意料，当黄将她在实验中看到的情况告诉团队其他人时，他们很难相信她。

改变硒化锡原子结构的一种行之有效的方法是加热，它以一种可预测的方式改变材料，实际上使这种特殊材料的性能更好。传统观点认为，使用激光会产生与加热相同的结果。

“这就是我们最初认为会发生的事情，”SLAC 斯坦福材料与能源科学研究所 (SIMES) 研究员、SLAC 工作人员科学家 Mariano Trigo 说。

“但经过近两年的讨论，易晶终于说服了团队的其他成员，不，我们正在推动材料走向完全不同的结构。我认为这个结果违背了大多数人的直觉，即当你将电子激发到更高能量时会发生什么水平。”

杜克大学研究生单阳的理论计算证实，这种对实验数据的解释是正确的。

“这种材料及其类别当然非常有趣，因为它是一个微小的变化可能导致非常不同的结果的系统，”雷斯说：“但是用光制造全新结构的能力——我们不知道如何以其他方式制造的结构——可能比这更普遍。”

它可能有用的一个领域是几十年来一直在寻求大规模制造在接近室温下运行的超导体——一种无损耗导电的材料。