Ny forskning, utförd vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, belyser guldets konstiga beteende när det zappas med högenergilaserpulser.

När vissa material, som kisel, utsätts för intensiv laserexcitering faller de snabbt isär. Men guld gör tvärtom:Det blir tuffare och mer motståndskraftigt. Detta beror på att hur guldatomerna vibrerar tillsammans – deras fononbeteende – förändras.

"Våra fynd utmanar tidigare uppfattningar genom att visa att metaller som guld under vissa förhållanden kan bli starkare snarare än att smälta när de utsätts för intensiva laserpulser", säger Adrien Descamps, en forskare vid Queen's University Belfast som ledde forskningen medan han tog examen. student vid Stanford och SLAC. "Detta står i kontrast till halvledare, som blir instabila och smälter."

I decennier antydde simuleringar möjligheten av detta fenomen, känt som fononhärdning. Nu, med hjälp av SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), har forskarna äntligen fört fram denna fononhärdning. Teamet har publicerat sina resultat i Science Advances .

"Det har varit en fascinerande resa att se våra teoretiska förutsägelser bekräftas experimentellt", säger samarbetspartner Emma McBride, en forskare vid Queen's University Belfast som tidigare var en Panofsky-stipendiat vid SLAC:s High Energy Density Science (HEDS) division. "Precisionen med vilken vi nu kan mäta dessa fenomen på LCLS är häpnadsväckande, och det öppnar nya möjligheter för framtida forskning inom materialvetenskap."

I sitt experiment riktade teamet sig mot tunna guldfilmer med optiska laserpulser på experimenthuset Matter in Extreme Conditions, och använde sedan supersnabba röntgenpulser från LCLS för att ta ögonblicksbilder på atomnivå av hur materialet svarade. Denna högupplösta inblick i guldets atomvärld gjorde det möjligt för forskare att observera subtila förändringar och fånga ögonblicket när dess fononenergier ökade, vilket gav konkreta bevis på fononhärdning.

"Vi använde röntgendiffraktion vid LCLS för att mäta det strukturella svaret av guld på laserexcitation," sa McBride. "Detta avslöjade insikter om atomarrangemang och stabilitet under extrema förhållanden."

Forskarna fann att när guld absorberar extremt högenergiska optiska laserpulser, blir krafterna som håller samman dess atomer starkare. Denna förändring får atomerna att vibrera snabbare, vilket kan förändra hur guldet reagerar på värme och kan till och med påverka temperaturen vid vilken det smälter.

"Detta arbete löser en långvarig fråga om ultrasnabb excitation av metaller och visar att intensiva lasrar helt kan alternera gittrets respons", säger Siegfried Glenzer, chef för High Energy Density Division på SLAC.

Forskare tror att liknande fenomen kan finnas i andra metaller som aluminium, koppar och platina. Ytterligare utforskning kan leda till en bättre förståelse av hur metaller beter sig under extrema förhållanden, vilket kommer att hjälpa till i utvecklingen av mer motståndskraftiga material.

"När vi ser framåt är vi glada över potentialen att tillämpa dessa rön till mer praktiska tillämpningar, till exempel inom laserbearbetning och materialtillverkning, där förståelse av dessa processer på atomär nivå kan leda till förbättrade tekniker och material," sa Descamps. "Vi planerar också fler experiment och hoppas kunna utforska dessa fenomen över ett bredare utbud av material. Det är en spännande tid för vårt område, och vi ser fram emot att se vart dessa upptäckter tar oss."

Mer information: Adrien Descamps et al, Bevis för fononhärdning i laserexciterat guld med röntgendiffraktion vid en hård röntgenfri elektronlaser, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adh5272

Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory