Forskere fanger mærkelig adfærd af laser-ophidset guld

Ny forskning, udført ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, belyser guldets mærkelige adfærd, når det zappes med højenergi-laserimpulser.

Når visse materialer, såsom silicium, udsættes for intens laserexcitation, falder de hurtigt fra hinanden. Men guld gør det modsatte:Det bliver hårdere og mere modstandsdygtigt. Dette skyldes, at måden guldatomerne vibrerer sammen - deres fononadfærd - ændrer sig.

"Vores resultater udfordrer tidligere forståelser ved at vise, at metaller som guld under visse forhold kan blive stærkere i stedet for at smelte, når de udsættes for intense laserimpulser," siger Adrien Descamps, en forsker ved Queen's University Belfast, som ledede forskningen, mens han var kandidat. studerende ved Stanford og SLAC. "Dette står i kontrast til halvledere, som bliver ustabile og smelter."

I årtier antydede simuleringer muligheden for dette fænomen, kendt som fononhærdning. Nu, ved hjælp af SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS), har forskerne endelig bragt denne fononhærdning frem i lyset. Holdet har offentliggjort deres resultater i Science Advances .

"Det har været en fascinerende rejse at se vores teoretiske forudsigelser bekræftet eksperimentelt," sagde samarbejdspartner Emma McBride, en forsker ved Queen's University Belfast, som tidligere var Panofsky-stipendiat ved SLAC's High Energy Density Science (HEDS) division. "Den præcision, hvormed vi nu kan måle disse fænomener på LCLS, er forbløffende, og det åbner nye muligheder for fremtidig forskning i materialevidenskab."

I deres eksperiment målrettede holdet tynde guldfilm med optiske laserimpulser mod Matter in Extreme Conditions eksperimentelle hut, og brugte derefter superhurtige røntgenimpulser fra LCLS til at tage øjebliksbilleder på atomniveau af, hvordan materialet reagerede. Dette højopløselige glimt ind i guldets atomare verden gjorde det muligt for forskere at observere subtile ændringer og fange det øjeblik, hvor dets fononenergier steg, hvilket gav konkrete beviser for fononhærdning.

"Vi brugte røntgendiffraktion ved LCLS til at måle guldets strukturelle reaktion på laserexcitation," sagde McBride. "Dette afslørede indsigt i atomarrangementer og stabilitet under ekstreme forhold."

Forskerne fandt ud af, at når guld absorberer ekstremt højenergi optiske laserimpulser, bliver kræfterne, der holder dets atomer sammen, stærkere. Denne ændring får atomerne til at vibrere hurtigere, hvilket kan ændre, hvordan guldet reagerer på varme og måske endda påvirke temperaturen, hvorved det smelter.

"Dette arbejde løser et langvarigt spørgsmål om den ultrahurtige excitation af metaller og viser, at intense lasere fuldstændigt kan veksle gitterets reaktion," sagde Siegfried Glenzer, direktør for High Energy Density Division hos SLAC.

Forskere mener, at lignende fænomener kan eksistere i andre metaller såsom aluminium, kobber og platin. Yderligere udforskning kan føre til en bedre forståelse af, hvordan metaller opfører sig under ekstreme forhold, hvilket vil hjælpe med udviklingen af ​​mere modstandsdygtige materialer.

"Når vi ser fremad, er vi begejstrede for potentialet til at anvende disse resultater til mere praktiske anvendelser, såsom i laserbearbejdning og materialefremstilling, hvor forståelse af disse processer på atomniveau kan føre til forbedrede teknikker og materialer," sagde Descamps. "Vi planlægger også flere eksperimenter og håber at udforske disse fænomener på tværs af en bredere vifte af materialer. Det er en spændende tid for vores felt, og vi glæder os til at se, hvor disse opdagelser bringer os hen."

Flere oplysninger: Adrien Descamps et al., Evidens for fononhærdning i laser-exciteret guld ved hjælp af røntgendiffraktion ved en hård røntgenfri elektronlaser, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adh5272

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory