Пікосекунди: 3. Як починається плавлення

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 69

Результат моделювання швидкого плавлення льоду при поглинанні надкороткого і потужного лазерного імпульсу: через 25 пс нанокристалик повністю розплавився. Зображення зі статті: David van der Spoel et al., 2008. Structural studies of melting on the picosecond time scale

Раз у пікосекундному діапазоні стає помітним атомний рух, значить десь тут знаходяться елементарні етапи різних процесів перетворення речовини. Візьмемо, наприклад, плавлення. Зазвичай кажуть: якщо до твердого тіла підвести достатньо тепла, воно розплавиться. Але плавлення — це ж не миттєвий процес, плавлення теж якось починається. Звичайно, якщо нагрівати тіло повільно, то і плавлення почнеться нескоро. А що якщо максимально прискорити цей процес? Через скільки часу після надрізкого нагрівання ми зможемо сказати, що кристал розплавився?

Надшвидкого нагріву можна домогтися, якщо «вистрілити» в кристал дуже коротким і дуже потужним лазерним імпульсом. Ми вже бачили, що в кінцевому рахунку відбувається з речовиною після цього пострілу на наносекундному масштабі. А зараз ми розберемося з тим, як цей процес починається.

Етапи надшвидкого плавлення кристала при поглинанні потужного лазерного імпульсу

Згусток лазерного світла поглинається в деякому шарі кристалічної решітки, і тим самим він немов завдає по кристалу хльосткий локалізований удар. У кристалічній решітці збуджується дуже сильне коливання, потужна фононна хвиля. При екстремальному нагріванні ця фононна хвиля різко, буквально за одне коливання порушує атомний порядок в кристалі — і ось тоді кристал локально перетворюється на рідину. Але це коливання має проколиватися! Як ми вже знаємо, період фононних коливань — кілька пікосекунд, іноді більше. Звідси ми отримуємо просту оцінку для мінімального часу теплового плавлення — пікосекунди. Численні експерименти підтверджують цей висновок.

Насправді, ця проста ілюстрація — лише вершина величезного айсберга складних процесів, які відбуваються в речовині при надшвидкому локальному нагріванні. Наприклад, на першому етапі процесу ключову роль відіграють електрони. Адже світло-то поглинають саме вони, а не атомні ядра. В результаті в найперший момент після поглинання лазерного імпульсу, буквально в ході першої пікосекунди, кристал перетворюється на щось разюче. Кристалічна решітка ще не порушена, атоми ще не зрушили, зате електрони вже різко нагрілися, снують туди-сюди між холодних поки атомів. У завданні Гарячі електрони ми з’ясували, що лише через кілька пікосекунд електрони зможуть передати свою енергію кристалічній решітці. Тільки тоді кристал заворушиться і в ньому почнеться фононне коливання. Ось така низка фізичних ефектів ховається за простими словами «лазерний імпульс завдав удару по кристалу».

Ну і наостанок — маленький сюрприз від природи. Виявляється, в певних ситуаціях деякі речовини здатні розплавитися за десяті частки пікосекунди! Здавалося б, це суперечить щойно зробленим оцінкам, але причин для паніки немає. Виявляється, в цій ситуації включається інший, нетепловий механізм плавлення кристала. Що це за механізм і чому він такий швидкий — читайте в післямові до нашого завдання про гарячі електрони.