В недавней научной работе, опубликованной в издании Nature Communications, физики подробно исследовали искусственно созданную «слоистую» структуру. Она состоит из чередующихся нанослоёв платины и меди, толщина каждого из которых составляет всего несколько нанометров. Такие системы представляют собой рукотворные кристаллические решётки, позволяющие с высокой точностью манипулировать поведением электронов и атомов.
Экспериментальная часть исследования проходила на установке MID (Materials Imaging and Dynamics) в составе европейского рентгеновского лазера на свободных электронах European XFEL. Этот комплекс является одним из самых мощных источников рентгеновского излучения в мире, что даёт учёным возможность наблюдать за движением атомов в режиме реального времени. В ходе опыта структуру подвергали воздействию сверхкоротких лазерных импульсов длительностью 10⁻¹⁵ секунды, а затем фиксировали происходящие изменения с помощью аналогичных по длительности рентгеновских импульсов.
Терагерцевые колебания: природа процесса
Сразу после облучения лазером система начинала осциллировать с частотой около 1 терагерца, что соответствует одному триллиону колебаний в секунду. В процессе этих колебаний слои платины периодически расширялись, оказывая давление на прослойки меди. Зафиксированный отклик оказался аномально быстрым: его невозможно объяснить классической моделью теплопередачи, при которой энергия сначала передаётся электронам, а уже затем разогревает кристаллическую решётку.
Ключевой вывод исследователей заключается в том, что физическое движение запускается не тепловым расширением атомов, а давлением «горячих» электронов, преимущественно в платине. Возбуждённые лазером электроны отражаются от границ и интерфейсов материалов, создавая мощный импульс давления, который буквально деформирует структуру изнутри и инициирует механические колебания.
Ян-Этьенн Пуделл (Jan-Etienne Pudell) из Европейского XFEL отмечает, что обнаруженный эффект стал для научной группы неожиданностью. Его слова подтвердил и Матиас Баргхер, руководитель исследовательского центра SFB 1636 при Университете Потсдама: учёные зафиксировали прямое воздействие электронного газа на атомную структуру в масштабах менее одной триллионной доли секунды.
Практическое значение открытия
Важной особенностью эффекта является его управляемость. Характер и амплитуда колебаний напрямую зависят от выбора материалов и толщины нанослоёв. Это открывает перспективы для создания «настраиваемых» структур, которые можно адаптировать под конкретные технологические задачи: от управления процессами ультрабыстрого переноса энергии до контроля протекания химических реакций на поверхностях металлов.
Эксперимент доказал существование устойчивой связи между движением электронов и механическим откликом материала. Давление электронов, возникающее при их отражении на нанограницах, способно передаваться молекулам на поверхности, что кардинально меняет представление о взаимодействии света и вещества. Это знание прокладывает путь к созданию новых методов управления сверхбыстрыми процессами в области наноматериалов и плазмохимии.
