對於材料中的線缺陷，或者說位錯，科學家已經研究了60多年。這些位錯在材料的塑性變形中起著重要作用，它們既可以使材料更堅固（比如賦予了金屬以強度和可加工性），也可以使材料出現災難性的故障。
了解位錯的傳播速度，可以幫助研究人員更好地了解地震破裂、結構故障和精密製造等問題。然而，一直以來，位錯的最大運動速度仍是未知的，沒有人能夠直接測量位錯在材料中的傳播速度究竟有多快。
現在，在一項新發表於《科學》雜誌的研究中，一組科學家通過使用X射線照相術記錄了金剛石中的位錯的傳播速度。他們的結果表明，這些微小的缺陷可以比聲波更快地在材料中傳播。
追逐聲音的速度
數十年來，科學家一直在爭論位錯是否能比聲音更快地在材料中傳播。許多研究得出的結論是——不能。但是一些計算機模型又表明，它們應該是可以的——前提是隻要它們的初始速度比聲速快。
我們都知道，聲音在空氣中的傳播速度大約是340米/秒，但在液體、固體材料中的傳播速度比在空氣中快得多，具體數值取決於材料的性質、溫度以及其他一些因素。通常來說，聲音在水中的傳播速度是1500米/秒，而在最硬的金剛石中則約能達到17881米/秒。
無論是從基礎科學還是實踐應用的角度來看，了解超快位錯是否可以打破這些聲障都是非常重要的。當位錯的移動速度超過聲速時，它們的行為會完全不同，並導致迄今為止只在模擬中出現過的意外故障。
然而，這並非一個容易解答的問題，如果不進行測量，就無法知道這些超快的位錯會造成多大的損害。而讓事情更為複雜的是，固體中有兩種聲波——縱向聲波和橫向聲波。縱波和空氣中傳播的波很類似；但由於固體會對聲音的傳播產生一定的阻力，因此它們也承載著一些更慢的橫波。
金剛石中的位錯
在新的研究中，為了獲得位錯傳播速度的直接畫面，研究人員採用X射線自由電子鐳射器，在微小的人造單晶金剛石上進行了實驗。金剛石為研究晶體材料中如何出現缺陷提供了一個獨特的平臺，它的形變機制比金屬的更加簡單，更易於科學家明確地識別圖像中的位錯，而非其他類型的缺陷。
當兩個位錯相遇時，它們會相互吸引或排斥，併產生更多的位錯。比如，當我們打開一罐由鋁合金製成的汽水罐時，蓋子上的許多已經存在的位錯（產生於它最終成型時）會相互作用，併產生數萬億的新位錯，隨著蓋子彎曲、打開，這些位錯會形成絕對的「臨界」故障。可以說，是這些相互作用以及它們的行為，決定了材料的所有力學性能。
在金剛石中，只有四種位錯；而在金屬鐵中，則有144種不同的可能的位錯類型。雖然金剛石比金屬堅硬得多，但如果受到足夠大的衝擊，它仍然會通過形成數以億計的位錯而彎曲。
激波的X射線圖像
研究小組使用強鐳射在金剛石中產生激波。然後，他們拍攝了一系列超快的X射線圖像，記錄了在十億分之一秒的時間尺度上的位錯的形成和擴散過程。只有X射線自由電子鐳射器能夠提供足夠短、足夠亮的X射線脈衝來捕捉這一過程。
研究人員使用強鐳射束驅動激波穿過金剛石。然後，他們使用X射線鐳射束在十億分之一秒的時間尺度上，產生了一系列位錯的形成和擴散的X射線圖像。這些圖像被記錄在一個探測器上。（圖/K. Katagiri/Stanford University）
研究人員觀察到，最初的激波會分裂成兩種波繼續在金剛石中傳播。第一種被稱為彈性波，能暫時性地使金剛石晶體變形；它的原子會立即彈回原來的位置，就像橡皮筋被拉伸和釋放一樣。第二種被稱為塑性波，通過在構成晶體結構的原子的重複模式中產生微小的偏差，使金剛石出現永久形變。
這張X射線圖像顯示了激波穿過金剛石的過程。初始波是彈性波，塑性波隨之產生，在材料中造成位錯。這種缺陷在材料中傳播的速度比聲速還快。箭頭顯示了位錯的傳播路徑和方向，它在尾跡中留下了一個稱為堆垛層錯的線缺陷。（圖/K. Katagiri/Stanford University）
這些微小的移動或位錯會產生「堆垛層錯」，相鄰的晶體層會相互移動，因此無法按應有的方式排列。堆垛層錯從鐳射擊中金剛石的地方向外傳播，而且在每個堆垛層錯的尖端有一個移動的位錯。通過X射線，研究人員發現，這種位錯在金剛石中的傳播速度比橫向聲波（較慢）的傳播速度要快。
在材料中傳播的激波會產生位錯，即在材料中傳播的微小移動，留下堆垛層錯。左邊：材料原子的規則排列沒有受到干擾；右邊：位錯從左到右穿過材料，形成了一個堆垛層錯（紫色），這一部分晶體的相鄰層沒有按照應有的方式排列。（圖/Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）
這種現象以前從未在任何材料中發現過。現在，研究小組計劃回到X射線自由電子設備，希望能了解位錯是否能比金剛石中的更高的縱向聲波的傳播速度更快，這將需要更強大的鐳射衝擊。如果它們突破了這個聲障，它們將被認為是真正的超音速。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www6.slac.stanford.edu/news/2023-10-05-groundbreaking-study-shows-defects-spreading-through-diamond-faster-speed-sound
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh5563
#圖片來源：
封面圖&首圖：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory