Группа физиков обнаружила метод временной остановки сверхбыстрого плавления кремния с помощью тщательно рассчитанной последовательности лазерных импульсов. Это открытие открывает новые возможности для контроля поведения материалов в экстремальных условиях и может повысить точность экспериментов, изучающих движение энергии в твёрдых телах.
Исследование опубликовано в журнале Communications Physics. Руководили исследованием Тобиас Цир и Дэвид А. Страббе из Калифорнийского университета в Мерседе, в сотрудничестве с Эуве С. Зейлстра и Мартином Э. Гарсией из Университета Касселя в Германии. Их работа сосредоточена на том, как интенсивные ультракороткие лазерные импульсы влияют на атомную структуру кремния — материала, широко используемого в электронике и солнечных батареях.
Используя передовые компьютерные симуляции, исследователи показали, что одиночный лазерный импульс высокой энергии обычно приводит к плавлению кремния за долю триллионной доли секунды.
Этот процесс, известный как нетермическое плавление, происходит так быстро, что атомы теряют свою упорядоченную структуру ещё до того, как успевают нагреться. Однако, разделив лазерную энергию на два импульса и точно рассчитав их последовательность, команда смогла «приостановить» этот процесс плавления и стабилизировать материал в новом метастабильном состоянии.
Симуляции были выполнены с использованием метода, называемого ab initio молекулярной динамикой, который моделирует поведение атомов и электронов на основе первых принципов.
Исследователи обнаружили, что первый лазерный импульс приводит атомы в движение, а второй импульс, задержанный всего на 126 фемтосекунд, вмешивается в это движение таким образом, что атомы не становятся неупорядоченными. Это создаёт временное состояние, в котором материал остаётся твёрдым, даже несмотря на то, что он поглотил достаточно энергии для плавления.
Интересно, что это метастабильное состояние сохраняет многие электронные свойства исходного кристалла, включая слегка уменьшенную запрещённую зону, что важно для проводимости материала.
Исследователи также заметили, что атомные колебания, или фононы, в этом состоянии были более холодными и стабильными, чем ожидалось, что позволяет предположить, что второй импульс эффективно «замораживает» движение атомов.
В исследовании делается вывод, что этот метод использования синхронизированных лазерных импульсов может быть применён к другим материалам, которые демонстрируют подобное поведение, потенциально позволяя создавать новые фазы материи или повышать точность экспериментов, измеряющих передачу энергии между электронами и атомами.
Авторы предлагают, что будущие исследования могут изучить, как точно настроить этот метод для различных материалов и использовать его для лучшего понимания фундаментальной физики взаимодействий света и вещества.
Предоставлено:
[University of California — Merced](https://phys.org/partners/university-of-california—merced/)