Una nuova ricerca, condotta presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, mette in luce lo strano comportamento dell'oro quando viene colpito da impulsi laser ad alta energia.
Quando alcuni materiali, come il silicio, sono sottoposti a un'intensa eccitazione laser, si sfaldano rapidamente. Ma l’oro fa il contrario:diventa più duro e resistente. Questo perché il modo in cui gli atomi d'oro vibrano insieme, ovvero il loro comportamento fononico, cambia.
"I nostri risultati mettono in discussione le conoscenze precedenti dimostrando che, in determinate condizioni, i metalli come l'oro possono diventare più forti anziché fondersi se sottoposti a intensi impulsi laser", ha affermato Adrien Descamps, ricercatore della Queen's University di Belfast che ha condotto la ricerca mentre era laureato. studente a Stanford e SLAC. "Ciò contrasta con i semiconduttori, che diventano instabili e si fondono."
Per decenni, le simulazioni hanno accennato alla possibilità di questo fenomeno, noto come indurimento dei fononi. Ora, utilizzando la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, i ricercatori hanno finalmente portato alla luce questo indurimento dei fononi. Il team ha pubblicato i risultati su Science Advances .
"È stato un viaggio affascinante vedere le nostre previsioni teoriche confermate sperimentalmente", ha affermato la collaboratrice Emma McBride, ricercatrice presso la Queen's University di Belfast e precedentemente membro di Panofsky presso la divisione High Energy Density Science (HEDS) dello SLAC. "La precisione con cui ora possiamo misurare questi fenomeni presso LCLS è sorprendente e apre nuove possibilità per la ricerca futura nella scienza dei materiali."
Nel loro esperimento, il team ha preso di mira sottili pellicole d'oro con impulsi laser ottici presso la conigliera sperimentale Matter in Extreme Condition, quindi ha utilizzato impulsi di raggi X superveloci provenienti da LCLS per scattare istantanee a livello atomico di come il materiale ha risposto. Questo sguardo ad alta risoluzione nel mondo atomico dell'oro ha permesso ai ricercatori di osservare sottili cambiamenti e catturare il momento in cui le sue energie fononiche aumentavano, fornendo prove concrete dell'indurimento dei fononi.
"Abbiamo utilizzato la diffrazione dei raggi X presso l'LCLS per misurare la risposta strutturale dell'oro all'eccitazione del laser", ha affermato McBride. "Ciò ha rivelato informazioni sulla disposizione atomica e sulla stabilità in condizioni estreme."
I ricercatori hanno scoperto che quando l’oro assorbe impulsi laser ottici ad altissima energia, le forze che tengono insieme i suoi atomi diventano più forti. Questo cambiamento fa vibrare gli atomi più velocemente, il che può cambiare il modo in cui l'oro risponde al calore e potrebbe persino influenzare la temperatura alla quale si scioglie.
"Questo lavoro risolve una questione di vecchia data sull'eccitazione ultraveloce dei metalli e mostra che i laser intensi possono alternare completamente la risposta del reticolo", ha affermato Siegfried Glenzer, direttore della divisione High Energy Density presso SLAC.
I ricercatori ritengono che fenomeni simili potrebbero esistere in altri metalli come alluminio, rame e platino. Ulteriori esplorazioni potrebbero portare a una migliore comprensione del comportamento dei metalli in condizioni estreme, il che aiuterà nello sviluppo di materiali più resilienti.
"Guardando al futuro, siamo entusiasti del potenziale di applicare questi risultati ad applicazioni più pratiche, come nella lavorazione laser e nella produzione di materiali, dove la comprensione di questi processi a livello atomico potrebbe portare a tecniche e materiali migliori", ha affermato Descamps. "Stiamo anche pianificando ulteriori esperimenti e speriamo di esplorare questi fenomeni su una gamma più ampia di materiali. È un momento entusiasmante per il nostro campo e non vediamo l'ora di vedere dove ci porteranno queste scoperte."
Ulteriori informazioni: Adrien Descamps et al, Prove dell'indurimento fononico nell'oro eccitato dal laser mediante diffrazione di raggi X su un laser a elettroni liberi a raggi X duri, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adh5272
Fornito da SLAC National Accelerator Laboratory
