Nieuw onderzoek, uitgevoerd in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, belicht het vreemde gedrag van goud wanneer het wordt gezapt met hoogenergetische laserpulsen.

Wanneer bepaalde materialen, zoals silicium, worden onderworpen aan intense laserexcitatie, vallen ze snel uit elkaar. Maar goud doet het tegenovergestelde:het wordt taaier en veerkrachtiger. Dit komt omdat de manier waarop de goudatomen samen trillen (hun fonongedrag) verandert.

"Onze bevindingen dagen eerdere inzichten uit door aan te tonen dat metalen zoals goud onder bepaalde omstandigheden sterker kunnen worden in plaats van te smelten wanneer ze worden blootgesteld aan intense laserpulsen", zegt Adrien Descamps, een onderzoeker aan de Queen's University Belfast die het onderzoek leidde toen hij afstudeerde. student aan Stanford en SLAC. "Dit staat in contrast met halfgeleiders, die instabiel worden en smelten."

Tientallen jaren lang wezen simulaties op de mogelijkheid van dit fenomeen, bekend als fononverharding. Nu hebben de onderzoekers met behulp van SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) eindelijk deze fononverharding aan het licht gebracht. Het team heeft hun resultaten gepubliceerd in Science Advances .

"Het was een fascinerende reis om onze theoretische voorspellingen experimenteel bevestigd te zien", zegt medewerker Emma McBride, een onderzoeker aan de Queen's University Belfast en voorheen een Panofsky-fellow bij de High Energy Density Science (HEDS)-divisie van SLAC. "De nauwkeurigheid waarmee we deze verschijnselen nu bij LCLS kunnen meten is verbazingwekkend, en het opent nieuwe mogelijkheden voor toekomstig onderzoek in de materiaalkunde."

In hun experiment richtte het team dunne goudfilms met optische laserpulsen op het experimentele hok Matter in Extreme Condition, en gebruikte vervolgens supersnelle röntgenpulsen van LCLS om momentopnamen op atomair niveau te maken van hoe het materiaal reageerde. Deze hoge resolutie inkijk in de atomaire wereld van goud stelde onderzoekers in staat subtiele veranderingen waar te nemen en het moment vast te leggen waarop de fononenergieën toenamen, wat concreet bewijs leverde van fononverharding.

"We gebruikten röntgendiffractie bij LCLS om de structurele respons van goud op laserexcitatie te meten", zei McBride. "Dit onthulde inzichten in de atomaire arrangementen en stabiliteit onder extreme omstandigheden."

De onderzoekers ontdekten dat wanneer goud extreem hoogenergetische optische laserpulsen absorbeert, de krachten die de atomen bij elkaar houden sterker worden. Deze verandering zorgt ervoor dat de atomen sneller trillen, wat de manier waarop het goud op hitte reageert kan veranderen en zelfs de temperatuur waarbij het smelt kan beïnvloeden.

"Dit werk lost een al lang bestaande vraag op over de ultrasnelle excitatie van metalen en laat zien dat intense lasers de respons van het rooster volledig kunnen veranderen", zegt Siegfried Glenzer, directeur van de High Energy Density Division bij SLAC.

Onderzoekers geloven dat soortgelijke verschijnselen kunnen voorkomen in andere metalen zoals aluminium, koper en platina. Verder onderzoek zou kunnen leiden tot een beter begrip van hoe metalen zich onder extreme omstandigheden gedragen, wat zal helpen bij de ontwikkeling van veerkrachtiger materialen.

"Vooruitkijkend zijn we enthousiast over het potentieel om deze bevindingen toe te passen op meer praktische toepassingen, zoals bij laserbewerking en materiaalproductie, waar het begrijpen van deze processen op atomair niveau zou kunnen leiden tot verbeterde technieken en materialen", aldus Descamps. "We plannen ook meer experimenten en hopen deze verschijnselen in een breder scala aan materialen te onderzoeken. Het is een spannende tijd voor ons vakgebied en we kijken ernaar uit om te zien waar deze ontdekkingen ons naartoe brengen."

Meer informatie: Adrien Descamps et al., Bewijs voor fononverharding in laser-geëxciteerd goud met behulp van röntgendiffractie bij een harde röntgenvrije elektronenlaser, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adh5272

Geleverd door SLAC National Accelerator Laboratory