缺陷可以使材料變得更堅固，也可以使材料發生災難性的故障。了解缺陷的傳播速度有助於研究人員理解地震破裂、結構失效和精密製造等問題。經過半個世紀的爭論，研究人員發現，微小的線性缺陷在材料中的傳播速度比聲波還快。

圖示：強烈雷射脈衝從右上方擊中鑽石晶體，在材料中產生彈性波和塑性波（彎曲的線條）。雷射脈衝在擊中晶體的位置產生線性缺陷，即位錯。它們在材料中的傳播速度超過了橫向聲速，留下了堆積面–從撞擊點向外扇形延伸的線條。資料來源：格雷格-史都華/SLAC 國家加速器實驗室

這些線性缺陷（或稱位錯）賦予金屬強度和可加工性，但它們也會使材料發生災難性的失效–每次你打開一罐蘇打水的拉環時都會發生這種情況。

能源部SLAC 國家加速器實驗室和史丹佛大學教授Leora Dresselhaus-Marais 與大阪大學教授Norimasa Ozaki 共同領導了這項研究。

衝擊波穿過材料時會產生稱為位錯的缺陷–材料晶體中的微小位移會在其中傳播，並留下所謂的堆積斷層。左圖中，材料原子的規則排列未受干擾。右圖中，位錯從左到右穿過材料，產生了堆疊斷層（紫色），相鄰的晶體層並沒有按照應有的方式排列。圖片來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實驗室

到目前為止，還沒有人能直接測量這些位錯在材料中擴散的速度。她的團隊使用X 射線攝影術–類似於揭示人體內部的醫用X 射線–對位錯在鑽石中的傳播速度進行計時，得出的經驗應該也適用於其他材料。他們在10月5日發表於《科學》（Science）雜誌的一篇論文中描述了這項成果。

追逐音速

近60 年來，科學家一直在爭論位錯在材料中的傳播速度能否超過聲音。許多研究得出結論認為它們不能。但一些電腦模型表明，它們是可以的–前提是它們一開始就以比聲音更快的速度移動。

讓它們瞬間達到這種速度需要巨大的衝擊力。首先，聲音在固體材料中的傳播速度比在空氣或水中快得多，這取決於材料的性質和溫度等因素。空氣中的聲速一般為每小時761 英里，而水中的聲速為每小時3355 英里，在最堅硬的材料鑽石中，聲速更是達到了驚人的每小時40000 英里。

更複雜的是，固體中有兩種聲波。縱波和空氣中的聲波一樣。但由於固體會對聲音的傳播產生一定的阻力，因此它們也會承載移動速度較慢的聲波，也就是橫向聲波。

從基礎科學和實用角度來看，了解超快位錯是否能打破這兩種聲障都非常重要。當位錯的移動速度超過音速時，它們的行為就會截然不同，並導致意想不到的故障，而迄今為止，這些故障只是模型化的。如果不進行測量，沒有人知道這些超快位錯會造成多大的破壞。

該研究小組的博士後學者、論文第一作者片桐健人說：”如果一種結構材料因其高失效率而發生的災難性失效超出了人們的預期，那就不太妙了。比如說，如果在地震中斷層衝破岩石，可能會對一切造成更大的破壞。我們需要更多地了解這類災難性故障。”

德雷斯豪斯-馬賴斯補充說，這項研究的結果”可能表明，我們以為自己對最快可能發生的材料失效的了解是錯誤的”。

彈頂效應

為了首次獲得位錯移動速度的直接影像，德雷斯豪斯-馬賴斯和她的同事們在日本SACLA X 射線自由電子雷射上進行了實驗。他們在人造鑽石的微小晶體上進行了實驗。

為了首次獲得位錯傳播速度的直接影像，研究人員使用強雷射光束驅動衝擊波穿過鑽石晶體。然後，他們使用X 射線雷射光束以十億分之一秒的時間尺度拍攝了一系列位錯形成和擴散的X 射線影像。這些影像類似於揭示人體內部的醫用X射線，被記錄在一個偵測器上。圖片來源：K. Katagiri／史丹佛大學

片桐說，鑽石為研究晶體材料如何失效提供了一個獨特的平台。他說：”要了解破壞機制，我們需要在圖像中識別出明確的位錯特徵，而不是其他類型的缺陷。”

當兩個位錯相遇時，它們會相互吸引或排斥，並產生更多的位錯。打開一罐由鋁合金製成的蘇打水，蓋子上已經存在的許多位錯–當它被塑造成最終形狀時產生的位錯–會相互作用並產生數以萬億計的新位錯，當罐子頂部彎曲和蓋子扣開時，這些位錯會級聯成絕對臨界失效。這些相互作用及其行為方式決定了我們所觀察到的材料的所有機械特性。

德雷斯豪斯-馬里斯說：「在鑽石中，只有四種類型的位錯，而以鐵為例，則有144 種不同類型的位錯。」研究人員說，鑽石可能比金屬更堅硬。但就像汽水罐一樣，如果受到足夠大的衝擊，它仍然會透過形成數十億個位錯而彎曲。

製作衝擊波的X 光影像

在SACLA，研究團隊使用強雷射在鑽石晶體中產生衝擊波。然後，他們以十億分之一秒的時間尺度拍攝了一系列位錯形成和擴散的超快X 光影像。只有X 射線自由電子雷射器才能提供足夠短、足夠亮的X 射線脈衝來捕捉此過程。

最初的衝擊波分裂成兩種類型的波，繼續穿過晶體。第一種波稱為彈性波，它能使晶體暫時變形；晶體中的原子會立即彈回原來的位置，就像橡皮筋被拉伸後鬆開一樣。第二種波稱為塑性波，透過在構成晶體結構的原子重複模式中產生微小誤差，使晶體發生永久變形。

這張X 射線放射影像（類似於醫用X 射線，但使用X 射線雷射以超快速度拍攝）顯示了衝擊波穿過鑽石晶體的情況。初始波是彈性的。塑性波緊跟在後，在材料中產生稱為位錯的缺陷，位錯在材料中的傳播速度超過音速。箭頭顯示了一個位錯的路徑和方向，位錯在其後留下了一個稱為堆積斷層的線性缺陷。在箭頭的頂端可以看到位錯本身。從雷射衝擊的位置還可以看到其他堆積斷層。資料來源：K. Katagiri/史丹佛大學

這些微小的位移或差排產生了”堆積斷層”，在這種斷層中，晶體的相鄰層相互移位，因此它們無法按照應有的方式排成一行。堆疊斷層從雷射擊中鑽石的地方向外傳播，每個堆疊斷層的前端都有一個移動位錯。

透過X 射線，研究人員發現，位錯在鑽石中的傳播速度超過了速度較慢的聲波–橫波–這種現像以前從未在任何材料中出現過。

片桐說，現在，研究小組計劃回到X射線自由電子設施，如SACLA或SLAC的Linac相干光源（LCLS），觀察位錯在鑽石中的傳播速度是否能超過更高的縱向聲速，這將需要更強大的雷射衝擊。他說，如果它們突破了音障，它們將被視為真正的超音速。