线缺陷（位错）的运动已经研究了60多年，但它们的最大运动速度仍是未解之谜。尽管并不否认存在跨音速位错的可能性，研究者最近的模型和原子模拟预测了在跨音速和亚音速范围之间存在一个位错运动的极限速度，此时位错能够自能发散。
在此，日本大阪大学Kento Katagiri教授等人使用飞秒x射线射线技术来跟踪冲击压缩单晶金刚石中的超快位错运动，可视化了堆垛层错比金刚石中最慢的声波速更快的事实，展示了其前缘横向移动的部分位错的证据。因此，了解晶体中位错迁移率的上限对于精确地建模、预测和控制在极端条件下材料的力学性能至关重要！
相关研究成果以“Transonic dislocation propagation in diamond”为题发表在Science上。
由外应力引起的材料内部位错运动与材料的机械性能及其变形动力学有关。 当延展性材料受到应力时，材料内部的位错会移动以局部容纳该力，从而产生塑性。
金属常见的延展性在金刚石等脆性材料中通常不存在，但即使是脆性材料在某些类型的极端条件下也会表现出延展性，例如冲击引起的高应变率变形。尽管位错介导的塑性的基本机制有时与材料中的应变速率不变，但许多研究已经观察到显示出高速率敏感性的情况。
在最高应变率下，位错在变形过程中以接近材料声速的速度移动。位错理论预测，当位错接近给定晶体中的极限（或临界）速度时，位错的自能和应力会发散，这意味着位错被禁止以这些极限速度行进。
各向同性晶体中的极限位错速度与纵向和横向声速一致，而各向异性单晶（如金刚石）则有一个纵向（c1）和两个横向 （c1≧ c3），其数量级相同，但并不总是与极限速度一致。
迄今为止，跨音速或超音速真实晶体中的位错运动尚未在实验中观察到。唯一报道的位错移动速度快于最慢极限速度的实验证据。相比之下，许多理论和分子动力学（MD）模拟研究已经预测了跨音速甚至超音速位错运动的存在，表明极限速度不应该是位错运动的上限。
Gumbsch和Gao使用原子模拟来观察钨中的超快位错运动。他们的模拟表明，跨音速和超音速的位错稳定运动都是可能的，但仅限于超过极限速度产生的位错，从而避免了在无限能量极限速度上加速的需要。
虽然对于MD模拟来说，以如此高速的速度产生位错相对简单，但测量位错的实验还无法获得那些快速驱动的条件。利用大于107 s-1应变率，激波压缩技术为研究高速位错提供了一个独特的系统，激波波前的能量不连续会产生位错，最初移动速度比极限位错快。
作者展示了使用飞秒X射线照相术在单晶金刚石中跨离子移动的冲击诱导位错运动的实验结果，讨论了对相关图像特征的解释和分配，并说明了位错速度和相关塑性如何指示辐射和阻力，这意味着微观结构和体弹塑性行为之间的关系。
了解最快位错运动的速度是准确预测和控制变形固体的位错动力学和塑性所必需的，这可以通过离散位错动力学。 这种超快的位错运动强烈地影响着材料的机械响应，而这些反应在众多应用中是必不可少的。
同时，使用强烈的纳秒级可见光激光将~100GPa冲击驱动到单晶金刚石样品中，使可见激光和X射线（XFEL）同步，使得冲击在XFEL爆发前几到几十纳秒发生。射线照相测量显示，沿着样品塑性变形区域内的特定晶体平面，堆垛断层（一种平面缺陷）上有大量光子散射。
这种增强的散射使他们能够“看到”晶体内的这些平面缺陷。一旦启动，这些缺陷就会传播，组合多个图像帧使他们能够测量位错运动。推断的速度达到了声速，从而为跨音速位错传播提供了实验证据。
综上所述，作者使用世界上最亮的X射线激光器之一的原位X射线照相显示了金刚石中跨音速位错运动的实验证据，导致形成跨越塑性变形体积的许多堆垛层错。发射辐射的微观位错运动可能会影响宏观弹塑性变形动力学。
同时，实验结果显示了跨音速位错运动，为完善模型以深入了解这些极端条件下的超快变形行为提供了关键的新机会。在最高应变率下新改进的模型将对许多领域产生显著的影响，包括结构材料的超快断裂，地震破裂的预测和分析，精确的制造工艺和电化学应用中的功能。
Kento Katagiri*, Tatiana Pikuz, Lichao Fang, Bruno Albertazzi, Shunsuke Egashira, Yuichi
Inubushi, Genki Kamimura, Ryosuke Kodama, Michel Koenig, Bernard Kozioziemski,
Gooru Masaoka, Kohei Miyanishi, Hirotaka Nakamura1 , Masato Ota, Gabriel Rigon†, Youichi
Sakawa, Takayoshi Sano, Frank Schoofs, Zoe J. Smith, Keiichi Sueda,
Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Yifan Wang, Makina Yabashi, Toshinori Yabuuchi, Leora E.
Dresselhaus-Marais, Norimasa Ozaki, Transonic dislocation propagation in
diamond, Science, 2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5563
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