Схема экспериментальной установки, используемой для измерения временной эволюции дифракционной картины от нагретых лазером отдельно стоящих Au-фольг в LCLS. Изображение передачи оптического лазерного импульса с почти гауссовским преобразованием показано на нижней левой вставке вместе с набором контуров, соответствующих наилучшему двумерному гауссову приближению к данным. Азимутально интегрированные дифракционные картины при различных временных задержках показаны на вставке вверху справа.
Фото: Достижения науки (2024 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adh5272.

Новое исследование, проведенное в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, проливает свет на странное поведение золота при воздействии высокоэнергетических лазерных импульсов.

Когда некоторые материалы, например кремний, подвергаются интенсивному лазерному возбуждению, они быстро распадаются. Но золото делает обратное: оно становится более прочным и устойчивым. Это происходит потому, что меняется способ совместной вибрации атомов золота – их фононное поведение.

«Наши результаты бросают вызов предыдущим представлениям, показывая, что при определенных условиях такие металлы, как золото, могут становиться прочнее, а не плавиться под воздействием интенсивных лазерных импульсов», — сказал Адриен Декамп, исследователь из Королевского университета в Белфасте, который руководил исследованием, когда был выпускником, студент Стэнфорда и SLAC. «Это контрастирует с полупроводниками, которые становятся нестабильными и плавятся».

На протяжении десятилетий моделирование намекало на возможность этого явления, известного как фононное упрочнение. Теперь, используя источник когерентного света Linac (LCLS) SLAC, исследователи наконец выявили это фононное усиление. Команда опубликовала свои результаты в журнале Science Advances.

«Это было увлекательное путешествие — увидеть, как наши теоретические предсказания подтверждаются экспериментально», — сказала соавтор Эмма МакБрайд, исследователь из Королевского университета в Белфасте, которая ранее работала научным сотрудником Панофски в подразделении SLAC по науке о высокой плотности энергии (HEDS). «Точность, с которой мы теперь можем измерять эти явления с помощью LCLS, поразительна и открывает новые возможности для будущих исследований в области материаловедения ».

В своем эксперименте команда нацеливала тонкие золотые пленки оптическими лазерными импульсами на экспериментальную камеру «Материя в экстремальных условиях», а затем использовала сверхбыстрые рентгеновские импульсы от LCLS, чтобы сделать снимки реакции материала на атомном уровне. Этот взгляд на атомный мир золота с высоким разрешением позволил исследователям наблюдать тонкие изменения и уловить момент, когда его фононная энергия увеличилась, предоставив конкретные доказательства фононного упрочнения.

«Мы использовали дифракцию рентгеновских лучей в LCLS для измерения структурной реакции золота на лазерное возбуждение», — сказал Макбрайд. «Это открыло понимание атомного устройства и стабильности в экстремальных условиях».

Исследователи обнаружили, что когда золото поглощает оптические лазерные импульсы чрезвычайно высокой энергии, силы, удерживающие его атомы вместе, становятся сильнее. Это изменение заставляет атомы вибрировать быстрее, что может изменить реакцию золота на тепло и даже повлиять на температуру, при которой оно плавится.

«Эта работа решает давний вопрос о сверхбыстром возбуждении металлов и показывает, что интенсивные лазеры могут полностью изменить реакцию решетки», — сказал Зигфрид Гленцер, директор отдела высокой плотности энергии в SLAC.

Исследователи полагают, что подобные явления могут существовать и в других металлах, таких как алюминий, медь и платина. Дальнейшие исследования могут привести к лучшему пониманию того, как металлы ведут себя в экстремальных условиях , что поможет в разработке более устойчивых материалов.

«Заглядывая в будущее, мы воодушевлены возможностью применения этих результатов в более практических приложениях, таких как лазерная обработка и производство материалов, где понимание этих процессов на атомном уровне может привести к улучшению технологий и материалов», — сказал Декамп. «Мы также планируем больше экспериментов и надеемся изучить эти явления на более широком спектре материалов. Это захватывающее время для нашей области, и мы с нетерпением ждем возможности увидеть, куда нас приведут эти открытия».