Физики научились «замораживать» плавление кремния с помощью лазерных импульсов

Схема возбуждения. Автор: Тобиас Цир

Группа физиков обнаружила способ временно останавливать сверхбыстрое плавление кремния с помощью точно рассчитанной последовательности лазерных импульсов. Это открытие открывает новые возможности для управления поведением материалов в экстремальных условиях и может повысить точность экспериментов по изучению переноса энергии в твёрдых телах.

Исследование, опубликованное в журнале Communications Physics, возглавили Тобиас Цир и Дэвид А. Страбб из Калифорнийского университета в Мерседе в сотрудничестве с Эуве С. Зейлстрой и Мартином Э. Гарсией из Университета Касселя (Германия). Их работа посвящена изучению влияния сверхкоротких лазерных импульсов высокой интенсивности на атомную структуру кремния — материала, широко используемого в электронике и солнечных элементах.

С помощью современных компьютерных симуляций учёные показали, что одиночный высокоэнергетический лазерный импульс обычно вызывает плавление кремния за доли триллионной доли секунды. Этот процесс, известный как «нетепловое плавление», происходит настолько быстро, что атомы теряют упорядоченную структуру ещё до того, как успевают нагреться.

Однако, разделив лазерную энергию на два импульса и точно синхронизировав их, команда смогла «приостановить» процесс плавления и стабилизировать материал в новом метастабильном состоянии.

Симуляции проводились с использованием метода ab initio молекулярной динамики, который моделирует поведение атомов и электронов на основе первых принципов. Исследователи обнаружили, что первый лазерный импульс приводит атомы в движение, а второй импульс — задержанный всего на 126 фемтосекунд — вмешивается в это движение таким образом, что предотвращает нарушение порядка атомов. Это создаёт временное состояние, при котором материал остаётся твёрдым, несмотря на поглощение достаточной энергии для плавления.

Интересно, что это метастабильное состояние сохраняет многие электронные свойства исходного кристалла, включая слегка уменьшенную ширину запрещённой зоны, что важно для электропроводности материала. Учёные также заметили, что атомные колебания (фононы) в этом состоянии были холоднее и стабильнее, чем ожидалось, что указывает на эффективное «замораживание» атомного движения вторым импульсом.

Авторы предполагают, что этот метод можно применять и к другим материалам с аналогичным поведением, что потенциально позволит создавать новые фазы вещества или повышать точность экспериментов по изучению передачи энергии между электронами и атомами.

В будущих исследованиях планируется изучить возможность тонкой настройки этой техники для различных материалов и использовать её для лучшего понимания фундаментальной физики взаимодействия света и вещества.

Дополнительная информация: Tobias Zier et al, Pausing ultrafast melting by timed multiple femtosecond-laser pulses, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02238-3

Источник: University of California - Merced