微小晶体中的光诱导对称性变化使研究人员能够创造出具有定制特性的材料

想象一下，用完美对齐的积木建造一座乐高塔。每个块代表一个微小晶体中的原子，称为量子点。就像撞击塔可以移动块并改变其结构一样，外力可以移动量子点中的原子，破坏其对称性并影响其性质

科学家们已经了解到，他们可以有意地在量子点中造成对称性破坏或对称性恢复，以创造具有独特性质的新材料。在最近的一项研究中，美国能源部阿贡国家实验室的研究人员发现了如何利用光来改变这些微小结构中原子的排列

由半导体材料（如硫化铅）制成的量子点因其微小的尺寸而以其独特的光学和电子特性而闻名，这使它们有可能彻底改变电子和医学成像等领域。通过利用控制这些量子点对称性的能力，科学家们可以定制材料，使其具有特定的光和电相关特性。这项研究为设计可以执行以前认为不可能的任务的材料开辟了新的可能性，为创新技术提供了途径

通常，硫化铅会形成立方晶体结构，其特征是与食盐相似的高度对称性。在这种结构中，铅和硫原子应该排列成非常有序的晶格，就像交替的红色和蓝色乐高积木一样

然而，之前的数据表明，铅原子并没有精确地位于预期的位置。相反，它们稍微偏离中心，导致结构对称性降低

阿贡国家实验室物理学家理查德·夏勒解释说：“当对称性改变时，它可以改变材料的性质，几乎就像一种全新的材料。”。“科学界对寻找在正常条件下无法产生的物质状态的方法非常感兴趣。”

该团队使用先进的激光和X射线技术研究了硫化铅量子点在暴露于光时的结构如何变化。在美国能源部的SLAC国家加速器实验室，他们使用了一种名为兆电子伏特超快电子衍射（MeV-UED）的工具，在极短的时间内（低至万亿分之一秒）观察这些量子点的行为

与此同时，在阿贡国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施高级光子源（APS），他们使用Beamline 11-ID-D进行了超快全X射线散射实验，以研究低至十亿分之一秒的时间尺度上的临时结构变化。这些X射线测量受益于最近的APS升级，该升级提供了比以前亮500倍的高能X射线束

此外，在阿贡国家实验室的另一个美国能源部科学办公室用户设施纳米材料中心，该团队进行了快速的光学吸收测量，同样不到万亿分之一秒，以了解对称性变化时电子过程是如何变化的。阿贡国家实验室和SLAC的这些最先进的设施在帮助研究人员更多地了解如何在非常快的时间尺度上控制量子点的对称性和光学特性方面发挥了至关重要的作用

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使用这些技术，研究人员观察到，当量子点暴露在短时间的光脉冲中时，晶体结构的对称性从无序状态变为更有组织的状态

APS的物理学家Burak Guzelturk说：“当量子点吸收光脉冲时，激发的电子会使材料转变为更对称的排列，其中铅原子会移回中心位置。”

对称性的恢复直接影响了量子点的电子性质。该团队注意到带隙能量的降低，这是半导体材料中电子从一种状态跳到另一种状态所需的能量差。这种变化会影响晶体导电和对电场等外力的反应

此外，研究人员还研究了量子点的大小及其表面化学如何影响对称性的暂时变化。通过调整这些因素，他们可以控制对称位移并微调量子点的光学和电子特性

Schaller说：“我们通常认为晶体结构并没有真正改变，但这些新的实验表明，当光被吸收时，结构并不总是静态的。”

这项研究的结果对纳米科学和技术很重要。能够仅使用光脉冲改变量子点的对称性，使科学家能够创造出具有特定性质和功能的材料。就像乐高积木可以变成无尽的结构一样，研究人员正在学习如何“构建”具有他们想要的特性的量子点，为新的技术进步铺平道路

这项研究的结果发表在Advanced Materials上 More information: Burak Guzelturk et al, Ultrafast Symmetry Control in Photoexcited Quantum Dots, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202414196

Journal information: Advanced Materials