作者:IIT·孟买德布达·保罗 入射的x光或电子脉冲击中样品，从而产生原子振动
固体对入射脉冲的响应被探测器、x光或电子照相机观察到
信用:阿迪蒂亚普拉萨德罗伊，机械工程系，IIT孟买 理论和实验科学家聚集在一起观察固体振动
原子或分子构成了我们周围的一切
在许多固体中，如食盐或铁，它们整齐地排列成重复的结构，称为“晶格”
固体对任何外部因素的行为，如外加力，是由晶格的集体行为决定的，而不是由单个原子或分子决定的
成分的微小振动决定了晶格的集体响应
决定各种自然现象的不是单个成分，而是这种集体反应，包括热量如何通过固体传输，以及物质如何在固体、液体和气体之间改变状态
在一项新的研究中，印度孟买理工学院(IIT孟买)的研究人员设计了一种理论方法来预测晶格结构对外部干扰的反应
这项发表在npj计算材料杂志上的研究部分由IIT孟买工业研究和咨询中心、人力资源和发展部(现为教育部)、原子能部和印度政府科学技术部资助
科学家通过首先在晶格结构上产生外部扰动，然后观察扰动如何随时间变化，来探索晶格结构或其动力学的变化
干扰通常是由短暂的激光闪光引起的
该研究的作者之一戈帕尔·迪克西特教授说:“如果你用激光的闪光干扰一个固体，它的原子就会开始振动。”
x光或电子可以揭示晶格中原子和分子的位置信息
科学家们用多个x光或电子脉冲轰击固体，每次间隔几飞秒——也就是说，一秒钟十几万亿分之一秒
因此，他们可以在这些情况下获得固体的图像，然后将这些图像拼接在一起拍摄振动的原子
这样的实验很难设计，需要复杂的仪器，这些仪器比标准的实验室显微镜更昂贵，而且在世界上为数不多的几个罕见的设施中都可以找到
直到最近十年，科学家们才能够进行如此先进的实验
另一方面，研究未扰动固体的分子排列更容易
五十多年来，科学家们用x光或电子束轰击硅等固体，并观察这种光束如何与其晶格相互作用
该研究的另一位作者迪潘舒·班萨尔教授说:“固体对光束的反应在射出的光束上留下了特定的印记，揭示了晶格中的原子振动。”
约瑟夫·傅立叶首先发明了一种被称为“傅立叶分析”的创新数学技术，帮助他们研究空间和时间中晶格的小结构
在目前的研究中，研究人员进行了数学计算，并证明可以使用类似的技术来研究受到暂时外部干扰的固体
他们使用了傅立叶方法的扩展版本以及量子物理定律
此外，他们使用了时间单向流动的基本概念
这些使他们计算出一个数学量，这个数学量决定了晶格结构对外界干扰的反应
利用这个数学量，也称为“响应函数”，研究人员预测了固体在时间上(低至几飞秒)和空间上(低至几分之一纳米)的行为
然后，他们根据过去十年激光实验获得的图像计算出响应函数
当前研究的研究者证明，这个量与理论反应函数完全匹配
他们的计算首次表明，没有必要进行复杂的实验来研究固体的动力学
还有其他优势
“我们提出的方法不需要分开的X射线或电子脉冲来研究动力学
相反，一个脉冲就足够了，”迪克西教授断言
在个人电脑上计算只需要几天，而实验可能需要几天到几个月
这项研究也聚集了理论家和实验家
“我们的工作是合作努力的真正成功，”实验科学家班萨尔教授说
“我们需要深入了解理论无法解释的确切实验条件，理论物理学家才能胜任这项任务，”身为理论家的迪克西特教授补充道
实验学家班萨尔教授承认:“尽管进行实验存在挑战，但理论计算没有局限性。”
研究人员断言，他们的方法适用于不同环境中的固体，如磁场、外部压力或高温
“即使通过最复杂的微观实验，这也是不可能的，”班萨尔教授说
虽然从有限的实验数据中估计响应函数并不容易，但快速的技术进步使研究变得更加容易
研究人员也计划在这些实验中检验他们的理论
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