01 引言

現(xiàn)代工業(yè)以及日常生活中離不開各種各樣的高性能材料，這些材料優(yōu)異的性質(zhì)取決于其微觀結(jié)構(gòu)或者動力學(xué)行為。對復(fù)雜材料例如高溫超導(dǎo)體、量子磁性材料、低維半導(dǎo)體、拓?fù)浯判圆牧稀⒋畔嘧儾牧稀犭姴牧系龋鋬?nèi)部自旋、軌道、電荷、聲子多體相互作用是關(guān)鍵因素。這些研究不僅涉及基礎(chǔ)前沿重大科學(xué)問題，也是我國科技發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。

對于材料微觀尺度的研究使用可見光的顯微鏡已經(jīng)不能滿足需要，目前最常見的媒介包括X光、電子和中子。相較于其他技術(shù)手段，中子有許多獨(dú)特的優(yōu)勢：

第一，中子是不帶電的中性粒子，與材料中的電子不發(fā)生庫侖相互作用，因此具有很好的穿透性，可以對材料進(jìn)行無損測量，并且可以在測量過程中施加如低溫、磁場、壓力等極端環(huán)境；

第二，中子雖然不帶電，但是具有1/2 的自旋，帶有磁矩，可以通過磁偶極矩作用來探測材料中的未配對電子和磁矩，在磁性材料的研究中具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢；

第三，中子束的波長和一般固體材料的晶格尺寸在同一個數(shù)量級，其能量也和許多材料的元激發(fā)能量相近，所以擁有著很好的動量與能量分辨率；

第四，相比于X光，中子對于氫、鋰、碳等較輕元素比較敏感，可以用來探測蛋白質(zhì)等有機(jī)物或鋰離子電池等的結(jié)構(gòu)。基于這些優(yōu)勢發(fā)展出的中子散射技術(shù)在研究固體材料的晶格結(jié)構(gòu)，磁結(jié)構(gòu)以及晶格振動、自旋激發(fā)方面有著很廣泛的應(yīng)用。

02 中子散射技術(shù)原理

中子散射的原理很簡單，波矢為ki，能量為Ei的入射中子束，進(jìn)入樣品并經(jīng)過散射過程，其能量或動量將發(fā)生轉(zhuǎn)移，這些變化可以通過測量出射中子的波矢kf和能量Ef而得到確定。中子的散射過程同樣也滿足動量和能量守恒定律，散射前后的中子能量和動量與散射過程中轉(zhuǎn)移的波矢Q和能量E之間的關(guān)系可以由圖1 描述。

圖1 中子散射的能量守恒與動量守恒原理示意圖

如果散射過程中中子只和原子核或者材料中的靜態(tài)有序磁矩發(fā)生作用，沒有能量轉(zhuǎn)移，這種散射過程被稱作彈性中子散射，可以用來探測材料中的晶格結(jié)構(gòu)或磁結(jié)構(gòu)。如果中子和材料中的晶格振動或者磁激發(fā)等發(fā)生相互作用而產(chǎn)生了能量轉(zhuǎn)移，則該散射過程被稱為非彈性中子散射。通過測量探測器上接受到的中子數(shù)量可以很好地確定散射截面，從而直觀地理解中子在材料中的散射過程，得到其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)信息。

03 中子散射的譜儀

用于進(jìn)行非彈性中子散射實(shí)驗的儀器一般被稱為中子散射譜儀，常見的類型包括三軸譜儀和飛行時間譜儀。三軸譜儀，顧名思義，有三個可以獨(dú)立繞軸旋轉(zhuǎn)的部分，分別是單色器、樣品臺和分析器，圖2 展示了三軸譜儀的基本構(gòu)造。單色器是一塊單晶，通過布拉格衍射來選擇特定波矢和能量的入射中子。

樣品臺也可以轉(zhuǎn)動來改變樣品的方向。分析儀與單色器類似，也是一塊單晶，通過改變和樣品臺的角度來區(qū)分具有特定波矢和能量的出射中子。這樣，研究人員就可以根據(jù)得到的入射和出射中子的數(shù)據(jù)來得到散射過程中發(fā)生的動量和能量轉(zhuǎn)移行為，進(jìn)而來分析樣品微觀結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為。三軸譜儀一般利用的是核反應(yīng)堆提供的高通量中子。

圖2 三軸譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖

另外一種中子散射譜儀主要是利用散裂中子源產(chǎn)生的脈沖中子，叫做飛行時間譜儀，是通過測量中子的飛行距離以及飛行時間確定中子能量。散裂中子源產(chǎn)生的脈沖中子是有能量分布的，進(jìn)入斬波器后，只有特定速度窗口的中子可以通過，這樣就可以選擇得到特定能量Ei 的中子。

飛行時間譜儀和三軸譜儀最大的不同在于探測器的布局，前者可以在樣品臺后的真空腔體中布置大面積的氦三管探測器。每根氦三管探測器都可以記錄散射后的中子到達(dá)其位置的時間，從而得到出射中子的能量Ef ；而根據(jù)其本身相對于樣品的位置，又可以獲得出射中子的波矢kf。相較于三軸譜儀單次測量只能測量一個點(diǎn)，時間飛行譜儀的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以在一次測量過程中同時得到比較大范圍的動量空間和能量空間，測量效率得到極大地提升，信號也更加直觀。

圖3 展示了高能非彈譜儀的基本構(gòu)造和主要組成部分。高能質(zhì)子轟擊鎢靶而產(chǎn)生的高能中子，經(jīng)過退耦合水慢化器進(jìn)行慢化，獲得中高能量范圍、且通量較高的中子束流。從慢化器到費(fèi)米斬波器的距離是16米，從費(fèi)米斬波器到樣品位置是2 米，從樣品到探測器的距離是2.5 米，這樣的設(shè)置可以獲得最佳能量分辨率。中子導(dǎo)管負(fù)責(zé)將中子高效傳輸?shù)綐悠肺恢茫? 段鍍有鎳鈦合金的中子超鏡組成，這些導(dǎo)管按照特定形狀排列。

高能非彈譜儀的斬波器系統(tǒng)由一個T0 斬波器、兩個帶寬斬波器和兩個費(fèi)米斬波器組成。放置在最前端的是T0 斬波器，作用是消除瞬發(fā)高能中子和瞬發(fā)伽馬射線的影響，材料采用鎳超級合金。T0 斬波器之后放置有兩個帶寬斬波器T1 和T2，它們的作用是選取合適波段的中子并消除相鄰脈沖周期的干擾。

費(fèi)米斬波器由一系列狹縫組成，用于中子能量的單色化選擇。高能非彈譜儀配置有兩個費(fèi)米斬波器，共三組吸收包。兩組直狹縫吸收包對應(yīng)于不同波段的入射能量，而彎曲通道費(fèi)米吸收包用于提供高分辨模式。通過費(fèi)米斬波器和帶寬斬波器之間的不同配合可以分別獲得高分辨的多入射能量模式(Multi-Ei )和純凈的單色光模式，從而滿足不同科學(xué)研究的需求。

和三軸譜使用的單晶能量分析器不同，高能非彈譜儀使用的中子探測器是高壓氦三探測器，其中子探測效率高，并且可以記錄位置信息。氦三探測器由三米長和一米二長的兩種氦三管組成，放置在大尺寸的真空腔體中，覆蓋角度為水平-30°到130°，垂直-30°到30°，可以在單次實(shí)驗中測得大范圍的動量與能量空間。

高能非彈譜儀還配備了多種樣品環(huán)境，為實(shí)驗提供多樣化的測試條件。其低溫恒溫器可以覆蓋5~800 開爾文的溫度范圍；而其強(qiáng)磁場環(huán)境可以提供最大為7 特斯拉的非對稱磁場，并保留之后增加極化中子功能的條件。此外，高能非彈譜儀在真空腔體中安裝了可擺動的徑向準(zhǔn)直器和探測器隔離板等設(shè)備，以便提高實(shí)驗的信噪比。

圖3 高能非彈譜儀的結(jié)構(gòu)和主要組成部件

04 非彈性中子散射的物理應(yīng)用

非彈性中子散射在測量多種材料物性和動力學(xué)特性中有著非常多的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，下面我們舉幾個簡單的例子進(jìn)行說明。

4.1 非彈性中子散射在高溫超導(dǎo)體領(lǐng)域中的應(yīng)用

超導(dǎo)現(xiàn)象是指在一定溫度下材料電阻變?yōu)榱闱掖磐ň€被完全排出體外的現(xiàn)象。高溫超導(dǎo)體物理性質(zhì)豐富，在工業(yè)生產(chǎn)日常生活中都有著非常廣闊的應(yīng)用前景，但是受到其物理和力學(xué)性能的限制，目前還不能大規(guī)模使用。高溫超導(dǎo)機(jī)制是凝聚態(tài)物理研究的最重要課題之一，涉及對當(dāng)今物理學(xué)基本范式的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)金屬和合金超導(dǎo)體的機(jī)制都可以使用BCS理論很好地進(jìn)行解釋，該理論以其建立者巴丁、庫珀、施里弗的名字首字母命名，這類超導(dǎo)體被稱為常規(guī)超導(dǎo)體或者BCS超導(dǎo)體。BCS理論認(rèn)為超導(dǎo)體中的超導(dǎo)電子是成對出現(xiàn)的，也就是庫珀對，約束電子配對的“膠水”來自晶格振動(即聲子)。但是BCS理論框架下的常規(guī)超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度Tc很低，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用潛力。

1986 年，一系列銅氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，突破了BCS理論預(yù)言的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度上限。之后又有多種高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，基于電聲耦合作用的BCS 理論無法再用來解釋它們超導(dǎo)配對機(jī)制。這些不能使用BCS 理論來理解的超導(dǎo)體被統(tǒng)稱為非常規(guī)超導(dǎo)體，其中典型的兩類為銅基超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體。

研究發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象大多與反鐵磁漲落有關(guān)，所以目前普遍認(rèn)為磁性在高溫超導(dǎo)體中扮演著至關(guān)重要的作用。而中子散射技術(shù)因其在磁性測量方面的獨(dú)一無二的優(yōu)勢，逐漸成為高溫超導(dǎo)體研究的重要工具，并為相關(guān)超導(dǎo)機(jī)制的研究提供了許多關(guān)鍵實(shí)驗證據(jù)。

一方面彈性中子散射(即衍射)實(shí)驗發(fā)現(xiàn)銅基和鐵基超導(dǎo)體母體材料具有反鐵磁結(jié)構(gòu)，另一方面非彈性中子散射測量結(jié)果顯示其母體磁激發(fā)出現(xiàn)在動量空間的(1,0)及其對稱位置，隨著能量升高而發(fā)生色散(即自旋波)，如圖4 所示。通過分析非彈性中子散射測得的自旋波可以得到磁關(guān)聯(lián)強(qiáng)度等重要信息，為高溫超導(dǎo)體的研究打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 鐵基超導(dǎo)體母體非彈性中子散射測量信號。(a)—(d)倒空間里不同能量的激發(fā)；(e)，(f)激發(fā)信號在能量空間的色散關(guān)系

對超導(dǎo)態(tài)下的高溫超導(dǎo)體的中子散射測量發(fā)現(xiàn)磁激發(fā)在超導(dǎo)態(tài)下依然存在，但是在磁性布拉格峰附近打開一個能隙，且在該能隙與其二倍能量之間出現(xiàn)了一個急劇增強(qiáng)的激發(fā)信號(圖5(a),(b))。大量的中子散射實(shí)驗觀察發(fā)現(xiàn)，這個增強(qiáng)的磁激發(fā)是高溫超導(dǎo)體的一個普遍特征，被稱為“自旋共振態(tài)”，而磁激發(fā)譜中出現(xiàn)的能隙被稱為“超導(dǎo)自旋能隙”。

自旋共振態(tài)只出現(xiàn)在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之下，表現(xiàn)為超導(dǎo)序參量，并且峰值激發(fā)能量和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度成線性相關(guān)(圖5(c))。這些特征表明自旋共振態(tài)和高溫超導(dǎo)的配對機(jī)制存在著十分密切的關(guān)系。基于弱耦合的自旋激子理論認(rèn)為如果超導(dǎo)配對波函數(shù)在費(fèi)米面不同位置存在符號改變(反相位)，例如d 波或s± 波配對，由于粒子-空穴對的產(chǎn)生，超導(dǎo)態(tài)的動態(tài)磁化率會在兩倍超導(dǎo)能隙2Δ 之下出現(xiàn)尖銳的自旋共振峰。

因此，在超導(dǎo)態(tài)下觀察到自旋共振模式被認(rèn)為是具有反相超導(dǎo)序參量的有力證據(jù)，也是非彈性中子散射在高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域的最重要貢獻(xiàn)之一。

圖5 高溫超導(dǎo)體中的自旋共振態(tài)。(a)，(b)鐵基超導(dǎo)體Ba0.6K0.4Fe2As2中自旋共振態(tài)出現(xiàn)在超導(dǎo)溫度之下，在正常態(tài)消失；(c)自旋共振態(tài)的能量和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度成線性關(guān)系；(d) Ba0.6K0.4Fe2As2 中自旋共振態(tài)的超導(dǎo)序參量行為

4.2 非彈性中子散射在阻挫磁性與量子漲落材料中的應(yīng)用

在很多固體材料中，因為原子磁矩之間存在相互作用，在溫度降低的情況下，磁矩趨向于形成某種有序排列。但是當(dāng)磁相互作用存在阻挫競爭時，不同的磁基態(tài)擁有相同或者接近的能量，互相之間會存在競爭，從而使系統(tǒng)的整體磁矩?zé)o法有效地進(jìn)入穩(wěn)定的有序態(tài)。如果系統(tǒng)存在強(qiáng)量子漲落，其基態(tài)則是各個態(tài)的量子疊加態(tài)，此時雖然自旋之間高度關(guān)聯(lián)糾纏，但直到絕對零度也不會進(jìn)入磁有序，這種超越朗道相變理論的物質(zhì)態(tài)被稱為量子自旋液體。

量子自旋液體的概念在1973 年由P. W. 安德森首先提出，并在1987 年被嘗試用來解釋高溫超導(dǎo)機(jī)理，最近幾年人們又發(fā)現(xiàn)其在量子計算和量子信息中也有著潛在的應(yīng)用前景。除此之外，在阻挫材料體系中還存在著自旋冰、隱藏序和量子伊辛磁性等新奇量子現(xiàn)象，是凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。

由于量子自旋液體態(tài)沒有傳統(tǒng)朗道相變對應(yīng)的對稱性破缺和序參量，因此量子自旋液體的實(shí)驗驗證有很大的難度。量子自旋液體一個行為是在絕對零度也不會發(fā)生磁相變，這個特征可以通過熱力學(xué)測量、中子衍射、繆子自旋弛豫以及核磁共振等實(shí)驗技術(shù)進(jìn)行確認(rèn)。

但是這些手段無法獲得量子自旋液體的動力學(xué)特征的完整圖像，因此具有測量磁激發(fā)能力的中子散射技術(shù)成為關(guān)鍵的實(shí)驗手段。理論上認(rèn)為量子自旋液體的自旋激發(fā)中表現(xiàn)為非常寬的連續(xù)譜，而不同于磁振子激發(fā)所呈現(xiàn)的色散特征，這是因為常規(guī)磁性材料中是S = 1 的磁振子激發(fā)，而量子自旋液體的元激發(fā)可以是S = 1/2分?jǐn)?shù)化自旋子激發(fā)，并具有長程量子糾纏。

中子散射實(shí)驗首先在一維反鐵磁自旋鏈體系CuSO4·5D2O中證實(shí)了連續(xù)譜的存在。如圖6 所示，在零場的情況下，中子翻轉(zhuǎn)一個自旋，形成自旋1/2 的自旋激子，其在能量空間表現(xiàn)為連續(xù)譜。在加入大磁場的情況下，自旋方向被極化，形成長程有序結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為S=1 的自旋波激發(fā)，中子散射實(shí)驗測到的就是有明顯邊界的銳利的色散譜。

圖6 一維反鐵磁自旋鏈體系CuSO4· 5D2O中非彈性中子散射實(shí)驗結(jié)果和理論計算結(jié)果的對比。零場下是連續(xù)譜的激發(fā)，加場的情況下是存在明顯邊界的銳利激發(fā)

需要指出的是，雖然一維自旋鏈也偶爾被稱為量子自旋液體，但其自旋子激發(fā)是由于磁疇壁的運(yùn)動產(chǎn)生，這區(qū)別于二維以上的量子自旋液體的形成機(jī)制，對于后者是否在真實(shí)的體系中存在還一直有很大爭議。可能的候選材料包括三角格子的κ-(BEDTTTF)2-Cu2(CN)3，Kagome格子的ZnCu3(OH)6Cl2等材料。具有三角格子的稀土YbMgGaO4也是一種熱門的量子自旋液體候選材料。YbMgGaO4的磁矩是由稀土元素Yb 的內(nèi)層未占滿的4f 電子貢獻(xiàn)的，具有非常強(qiáng)的自旋軌道耦合，且總角動量在周圍離子的電場作用下進(jìn)一步發(fā)生晶體場劈裂，因此具備很豐富的磁學(xué)性質(zhì)。

輸運(yùn)測量證實(shí)即使在極低溫的情況下YbMgGaO4也不存在磁有序，隨后多個研究團(tuán)隊對其低溫磁激發(fā)的行為開展了大量的非彈性中子散射測量。如圖7 所示，該材料中的磁激發(fā)并不是尖銳的磁振子激發(fā)，而是非常寬的連續(xù)譜，這和之前提到的一維自旋鏈中的結(jié)果很類似。激發(fā)信號主要集中在布里淵區(qū)邊界附近，但占據(jù)了大部分的布里淵區(qū)，這也是和預(yù)期的自旋子激發(fā)相吻合。再仔細(xì)觀察沿著高對稱方向的色散，證實(shí)了這種連續(xù)譜普遍存在于整個磁激發(fā)的帶寬之內(nèi)，但同時又存在明顯的色散，具有明顯的激發(fā)邊界。

理論上存在自旋子費(fèi)米面的量子自旋液體中的自旋子具有單粒子能帶結(jié)構(gòu)，并且在這里處于半填滿的狀態(tài)，形成了非常大的費(fèi)米面。在自旋子激發(fā)過程中，費(fèi)米面以下的自旋子被激發(fā)到費(fèi)米面以上，形成了粒子—空穴對，其能量和動量與被散射中子整體守恒，但單個自旋子的動量能量并不唯一，形成一個連續(xù)譜。這就說明YbMgGaO4很可能是一種具有自旋子費(fèi)米面的量子自旋液體材料。

圖7 YbMgGaO4中的自旋子激發(fā)(a)—(e)自旋子激發(fā)在HK0 面內(nèi)的強(qiáng)度分布；(f)自旋子激發(fā)沿著(g)中所示高對稱方向的色散關(guān)系；(g)倒空間示意圖

除了量子自旋液體，非彈性中子散射還探測到稀土元素阻挫材料中蘊(yùn)藏著許多其他奇特的物理性質(zhì)。比如在三角格子的TmMgGaO4中存在著多極矩隱藏序現(xiàn)象，如圖8 所示，由非彈性中子散射實(shí)驗得到的自旋激發(fā)和二維的伊辛模型差別很大。磁化率實(shí)驗表明TmMgGaO4對于沿著面內(nèi)方向的外場幾乎沒有響應(yīng)，這就暗示其有效哈密頓量是罕見的內(nèi)稟橫場伊辛模型。

有效自旋z 方向的分量Sz呈現(xiàn)出常規(guī)的偶極矩行為，但是面內(nèi)的Sx /Sy分量則呈現(xiàn)出多極矩的行為。對于橫場伊辛模型，橫場產(chǎn)生的量子漲落會使得原本磁矩大小固定的伊辛自旋在不同的格點(diǎn)產(chǎn)生不同的調(diào)制，其低溫基態(tài)是自旋上—下—零的三子格序，其中自旋向上和向下的磁矩大小被量子漲落壓制，第三個格子的波函數(shù)中自旋向上和向下?lián)碛型瑯拥恼穹虼藌 方向自旋為零。從平均場角度考慮，模型可以等效為磁矩固定的自旋往橫場方向(可以假設(shè)為y 方向)偏轉(zhuǎn)，Sy 形成了鐵多極矩隱藏序，但不對外場或中子響應(yīng)，因而中子衍射只能測量到Sz分量。

對于經(jīng)典磁激發(fā)，Sz的磁激發(fā)只有Sxx /Syy分量。但對于TmMgGaO4，Sx /Sy的偶極矩行為使得中子散射無法探測Sxx /Syy只能觀測到Szz。同時Szz也直接對應(yīng)著量子激發(fā)，來源于量子漲落導(dǎo)致的Sz的變化，類似于一維材料中的縱向激發(fā)。基于橫場伊辛模型的平均場計算結(jié)果與中子散射的數(shù)據(jù)高度吻合。

圖8 TmMgGaO4中的磁激發(fā)色散關(guān)系(a)—(e)沿著圖5(b)所示高對稱方向的中子散射強(qiáng)度隨外場的變化；(f)—(j)橫場伊辛模型的線性自旋波計算結(jié)果

4.3 非彈性中子散射在熱電材料中的應(yīng)用

基于賽貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)的熱電材料可以實(shí)現(xiàn)電能與熱能之間的相互轉(zhuǎn)換，在廢熱熱能回收、空間開發(fā)、微型制冷等很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。熱電材料的性能主要決定于其無量綱的熱電優(yōu)值zT。高zT 的優(yōu)異熱電材料一般需要同時具有良好的電學(xué)性能和盡可能低的熱導(dǎo)性能，因此電輸運(yùn)與熱輸運(yùn)性質(zhì)的研究與調(diào)控是熱電材料研究的最重要手段之一。

電輸運(yùn)與熱輸運(yùn)的微觀圖像是各種不同的散射機(jī)制，例如在電輸運(yùn)方面涉及到缺陷散射、聲學(xué)聲子散射和極化光學(xué)聲子散射等，而在熱輸運(yùn)方面包括各種點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷對聲子傳輸?shù)纳⑸洌瑫r包括電-聲子和聲子-聲子之間的相互散射等。從這些散射機(jī)制看，聲子總是扮演著非常重要的角色，因此對聲子(即量子化的晶格熱振動)的研究是熱電材料研究的一個重要方向，而非彈性中子散射技術(shù)在其中扮演著重要的角色。

半哈斯勒合金是一類重要的半導(dǎo)體熱電材料，不僅具有優(yōu)異的熱電性能，而且其機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性也非常優(yōu)異。相關(guān)電輸運(yùn)性質(zhì)的研究重要集中在點(diǎn)缺陷散射、晶界散射和聲學(xué)聲子散射三方面。本文的部分作者通過非彈性中子散射實(shí)驗測量了具有不同載流子濃度的ZrNiSn1-xSbx樣品的晶格熱振動情況，并獲得相應(yīng)的聲子態(tài)密度(圖9(a),(b))。

結(jié)合宏觀輸運(yùn)性質(zhì)以及理論計算發(fā)現(xiàn)，該系列樣品在低載流子濃度情況下存在明顯的縱-橫光學(xué)聲子劈裂(LO-TO splitting)和很強(qiáng)的極化光學(xué)聲子散射；但是隨著載流子濃度的增加LO-TOsplitting 會被逐漸關(guān)閉，且可以有效屏蔽并降低極化光學(xué)聲子散射對載流子遷移行為的阻礙作用，從而促進(jìn)電輸運(yùn)性質(zhì)(圖9(c),(d))。

與此同時，載流子濃度的增加也會強(qiáng)化聲學(xué)聲子散射，這樣載流子濃度對兩種不同散射機(jī)制一升、一降的作用導(dǎo)致宏觀載流子遷移率發(fā)生一個非單調(diào)的行為，與實(shí)驗觀察結(jié)果吻合。根據(jù)這些研究成果，該工作建立了一個載流子散射相圖，可以為熱電材料性能的優(yōu)化提供了新的指導(dǎo)。

圖9 (a) ZrNiSn 半哈斯勒熱電材料的聲子激發(fā)；(b) 通過非彈性中子散射實(shí)驗獲得的摻雜濃度不同的ZrNiSn1-xSbx樣品的聲子態(tài)密度；(c) LO-TO劈裂與屏蔽效應(yīng)；(d) 極化光學(xué)聲子散射的屏蔽效應(yīng)

具有簡單氯化鈉結(jié)構(gòu)的PbTe 化合物是一種成熟的、商業(yè)化的熱電材料，具有非常低的晶格熱導(dǎo)率，但是相關(guān)的物理機(jī)制一直存在爭議。美國橡樹嶺實(shí)驗室的Delaire 等教授通過非彈性中子散射實(shí)驗仔細(xì)觀察了該材料中的聲子色散譜(見圖10)。

(圖9(a),(b))顯示該樣品的縱聲學(xué)聲子(LA)存在特定布里淵區(qū)存在明顯的弱信號，且明顯伴隨著縱光學(xué)支之間的一個連續(xù)分布，說明該材料中存在明顯的LA-LO之間的相互散射作用；另一方面橫光學(xué)支(TO)在布里淵區(qū)中心存在一個明顯的“瀑布”效應(yīng)，即極強(qiáng)的聲子軟化現(xiàn)象。配合理論計算發(fā)現(xiàn)，PbTe中Pb 的6p 軌道與Te 的5p 軌道存在雜化，但是Pb半充滿的p 軌道和Te 的非線性極化會導(dǎo)致鐵電失穩(wěn)，從而引起非簡諧的離子勢能，并最終導(dǎo)致聲子色散的異常和宏觀低熱導(dǎo)性能。

圖10 PbTe熱電材料沿不同的方向(a) [11L] (b) [00L] 和(c) [HH3]的聲子色散譜及其對應(yīng)的由計算獲得的聲子譜

4.4 非彈性中子散射探測蛋白質(zhì)動力學(xué)

蛋白質(zhì)是生物體的重要組成部分，具有非常多的功能，不同的結(jié)構(gòu)決定了其不同的功能。但是只關(guān)注蛋白質(zhì)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)還是不夠的，生命體絕大多數(shù)的功能過程都是通過蛋白質(zhì)特定的三維運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。非彈性中子散射技術(shù)是研究蛋白質(zhì)動力學(xué)信息的一種重要手段。相較于X光，中子對蛋白質(zhì)中的輕元素如氫、碳等更加敏感，而且對蛋白質(zhì)的輻照損傷也更小，更加適合做長時間的測量，缺點(diǎn)是需要樣品的量要大得多，且需要氘代。

我們知道在晶體材料中，原子會在格點(diǎn)位置不停地振動，其振動量子化的準(zhǔn)粒子就是聲子。蛋白質(zhì)是軟物質(zhì)材料，不存在普遍意義上的周期性晶格排列，但是利用中子散射技術(shù)可以測到其內(nèi)部類聲子激發(fā)。圖11 是利用非彈性中子散射觀測到的蛋白質(zhì)中類聲子振動隨溫度的變化。通過分析類聲子的色散關(guān)系隨溫度的變化，即研究聲子能量(2~10 毫電子伏特)與動量(0.5~3 ?-1)的關(guān)系，就可以得到蛋白質(zhì)的內(nèi)部運(yùn)動在皮秒甚至飛秒量級的動力學(xué)信息。研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)動力學(xué)的能量景觀呈多層級結(jié)構(gòu)，可能與蛋白質(zhì)的生物活性及功能相關(guān)。

圖11 非彈性中子散射實(shí)驗測到的蛋白質(zhì)中的類聲子激發(fā)，其描述蛋白質(zhì)動力學(xué)的能量景觀具有多層級結(jié)構(gòu)

另外用中子散射技術(shù)還可以探測蛋白質(zhì)的運(yùn)動過程。例如最近有科學(xué)家對重要的藥物靶蛋白細(xì)胞色素P450 進(jìn)行了中子散射實(shí)驗，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)該蛋白通過其內(nèi)部三個局域特殊的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動來吞噬小分子。此實(shí)驗不僅給出了細(xì)胞色素蛋白吞噬藥物小分子可能的運(yùn)動過程，還精確給出了這一運(yùn)動的時空間尺度。這一方法在原子尺度上給出了蛋白質(zhì)骨架運(yùn)動的三維時空間信息，比當(dāng)下流行的基于結(jié)構(gòu)的推測方法更精準(zhǔn)可靠。它可以廣泛運(yùn)用到各種蛋白質(zhì)體系，幫助科研人員深刻了解作為生命載體的蛋白質(zhì)分子其結(jié)構(gòu)、動力學(xué)及功能的內(nèi)在聯(lián)系，對于藥物研發(fā)、生物酶的設(shè)計等都有積極意義。

05 總結(jié)

中子散射技術(shù)在測量材料微觀尺度的結(jié)構(gòu)特征和動力學(xué)信息中擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，在多學(xué)科交叉領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。我們在中國散裂中子源即將建設(shè)完成的高能非彈譜儀性能預(yù)計達(dá)到國際先進(jìn)水平，同時還計劃建設(shè)一臺冷中子非彈譜儀以及一臺極化非彈譜儀覆蓋不同能量尺度和分辨率，可以滿足多類材料的非彈中子散射實(shí)驗需求，將為我國物理、生物、醫(yī)藥、化學(xué)等方向的研究提供重要工具，填補(bǔ)相關(guān)方面的空白。

審核編輯：劉清