De nouvelles recherches, menées au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC du ministère de l'Énergie, mettent en lumière le comportement étrange de l'or lorsqu'il est zappé par des impulsions laser à haute énergie.
Lorsque certains matériaux, comme le silicium, sont soumis à une intense excitation laser, ils se désagrègent rapidement. Mais l’or fait le contraire :il devient plus résistant et plus résistant. En effet, la façon dont les atomes d'or vibrent ensemble (leur comportement en phonons) change.
"Nos résultats remettent en question les connaissances antérieures en montrant que, dans certaines conditions, des métaux comme l'or peuvent devenir plus résistants plutôt que de fondre lorsqu'ils sont soumis à d'intenses impulsions laser", a déclaré Adrien Descamps, chercheur à l'Université Queen's de Belfast qui a dirigé la recherche alors qu'il était diplômé. étudiant à Stanford et au SLAC. "Cela contraste avec les semi-conducteurs, qui deviennent instables et fondent."
Pendant des décennies, les simulations ont fait allusion à la possibilité de ce phénomène, connu sous le nom de durcissement des phonons. Aujourd’hui, grâce à la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, les chercheurs ont enfin mis en lumière ce durcissement des phonons. L'équipe a publié ses résultats dans Science Advances .
"Cela a été un voyage fascinant que de voir nos prédictions théoriques confirmées expérimentalement", a déclaré la collaboratrice Emma McBride, chercheuse à l'Université Queen's de Belfast, qui était auparavant boursière Panofsky à la division HEDS (High Energy Density Science) du SLAC. "La précision avec laquelle nous pouvons désormais mesurer ces phénomènes au LCLS est étonnante et ouvre de nouvelles possibilités pour les recherches futures en science des matériaux."
Dans leur expérience, l’équipe a ciblé de minces films d’or avec des impulsions laser optiques sur la cage expérimentale Matter in Extreme Conditions, puis a utilisé des impulsions de rayons X ultra-rapides du LCLS pour prendre des instantanés au niveau atomique de la réaction du matériau. Cet aperçu haute résolution du monde atomique de l'or a permis aux chercheurs d'observer des changements subtils et de capturer le moment où ses énergies de phonons ont augmenté, fournissant ainsi une preuve concrète du durcissement des phonons.
"Nous avons utilisé la diffraction des rayons X au LCLS pour mesurer la réponse structurelle de l'or à l'excitation laser", a déclaré McBride. "Cela a révélé des informations sur les arrangements atomiques et la stabilité dans des conditions extrêmes."
Les chercheurs ont découvert que lorsque l’or absorbe des impulsions laser optiques de très haute énergie, les forces qui maintiennent ses atomes ensemble deviennent plus fortes. Ce changement fait vibrer les atomes plus rapidement, ce qui peut modifier la façon dont l'or réagit à la chaleur et peut même affecter la température à laquelle il fond.
"Ce travail résout une question de longue date sur l'excitation ultrarapide des métaux et montre que les lasers intenses peuvent complètement alterner la réponse du réseau", a déclaré Siegfried Glenzer, directeur de la division haute densité d'énergie au SLAC.
Les chercheurs pensent que des phénomènes similaires pourraient exister dans d’autres métaux tels que l’aluminium, le cuivre et le platine. Une exploration plus approfondie pourrait conduire à une meilleure compréhension du comportement des métaux dans des conditions extrêmes, ce qui contribuerait au développement de matériaux plus résilients.
"Pour l'avenir, nous sommes enthousiasmés par la possibilité d'appliquer ces résultats à des applications plus pratiques, telles que l'usinage laser et la fabrication de matériaux, où la compréhension de ces processus au niveau atomique pourrait conduire à des techniques et des matériaux améliorés", a déclaré Descamps. "Nous prévoyons également davantage d'expériences et espérons explorer ces phénomènes sur une plus large gamme de matériaux. C'est une période passionnante pour notre domaine et nous sommes impatients de voir où ces découvertes nous mèneront."
Plus d'informations : Adrien Descamps et al, Preuve du durcissement des phonons dans l'or excité par laser par diffraction des rayons X sur un laser à électrons libres à rayons X durs, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adh5272
Fourni par le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
