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, [опубликованное](https://www.nature.com/articles/s42005-025-02238-3) в журнале Communications Physics, было проведено под руководством Тобиаса Зиера и Дэвида А. Страббе из Университета Калифорнии в Мерседе в сотрудничестве с Эуве С. Зейлстра и Мартином Э. Гарсией из Университета Касселя в Германии. Их работа сосредоточена на том, как сверхкороткие лазерные импульсы влияют на атомную структуру кремния — материала, широко используемого в электронике и солнечных батареях.
Используя [передовые компьютерные симуляции](https://phys.org/tags/advanced+computer+simulations/), 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 время их подачи, команда смогла «приостановить» этот процесс плавления и стабилизировать материал в новом метастабильном состоянии.
Симуляции были выполнены с использованием метода, называемого [ab initio молекулярной динамикой](https://phys.org/tags/ab+initio/), 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 отметили, что атомные колебания, или фононы, в этом состоянии были более холодными и стабильными, чем ожидалось, что указывает на то, что второй импульс эффективно «замораживает» движение атомов.
В исследовании делается вывод, что этот метод использования синхронизированных лазерных импульсов может быть применён к другим материалам, проявляющим 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 способы точной настройки этой техники для различных материалов и использовать её для лучшего понимания фундаментальной физики взаимодействий света и материи.
Предоставлено [Университетом Калифорнии в Мерседе](https://phys.org/partners/university-of-california—merced/)