Ученые обнаружили новый механизм сверхбыстрых колебаний в нанослоях платины и меди
Международная группа исследователей из Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL), Потсдамского университета и других институтов обнаружила, что ультракороткие лазерные импульсы способны вызывать сверхбыстрые колебания в слоистых металлических структурах.
Оказалось, что эти колебания запускаются не нагревом атомной решетки, как можно было бы предположить, а давлением, которое оказывают горячие электроны внутри металла.
В ходе эксперимента ученые создали искусственную металлическую решетку, сложив попеременно слои платины и меди толщиной всего в несколько нанометров. После воздействия лазерного импульса эта искусственная кристаллическая решетка начала колебаться с частотой около одного терагерца, то есть примерно один триллион раз в секунду.
При этом платиновые нанослои расширялись и сжимали медные слои. Колебание начиналось мгновенно и было слишком быстрым, чтобы его можно было объяснить обычным нагревом решетки за счет передачи тепла от электронов.
Ян-Этьен Пудель из European XFEL признался, что это стало для них неожиданностью, поскольку колебание вызвано не давлением нагретой решетки, а именно электронным давлением, особенно сильно проявляющимся в платиновых слоях.
Матиас Баргхир, руководитель исследовательского коллаборативного центра SFB 1636, пояснил, что ученые наблюдают не просто нагрев и расширение металла. Они видят, что сами электроны оказывают давление менее чем за одну триллионную долю секунды и буквально «бьют» изнутри по поверхности металла.
Это открытие крайне важно для химии нанометровых металлических слоев, поскольку оно проливает новый свет на взаимосвязь между горячими электронами, теплом, движением атомов и химическими реакциями.
Результаты также показывают, что подобные процессы можно контролировать, подбирая соответствующие материалы и толщину слоев. Для своих измерений международная команда использовала инструмент MID (Materials Imaging and Dynamics) на установке European XFEL.
Искусственную решетку из платины и меди возбуждали очень короткими лазерными импульсами длительностью порядка 10⁻¹⁵ секунд, а затем исследовали с помощью столь же коротких высокоэнергетических рентгеновских импульсов. Эти рентгеновские импульсы позволили напрямую разрешить глубокие структурные изменения внутри материала, предоставив информацию, чувствительную как к составу, так и к глубине залегания слоев.
Пудель отметил, что инструмент MID был создан именно для того, чтобы отвечать на вопросы о том, как движутся атомы и электроны в сложных материалах, когда они выведены из равновесия светом. В данном случае ученым удалось не только наблюдать возникновение терагерцевых колебаний, но и определить физические механизмы, которые ими управляют.
Полученные результаты особенно важны для исследовательского центра SFB 1636, поскольку давление горячих электронов в платине возникает из-за отражения на поверхности и на границах между металлами. Это давление является мерой того, с какой силой электроны «стучат» по поверхности платинового слоя, благодаря чему энергия может передаваться молекулам, связанным с этой поверхностью.
Баргхир подчеркнул, что это создает новую экспериментальную и концептуальную связь между плазмонной химией, динамикой высокоэнергетических электронов, тепловым потоком и сверхбыстрыми структурными изменениями.
Исследование в журнале Nature Communications.