Rentgenowski laser na swobodnych elektronach ujawnia sekrety mechanizmu topnienia

abstrakt graficzny

Zespół naukowców z udziałem prof. Jerzego Antonowicza opublikował artykuł, który rzuca nowe światło na zagadnienie ultraszybkiego topnienia metali.

Ze względu na niezwykle krótki czas trwania, topnienie kryształu zachodzące w stanie dalekim od równowagi termodynamicznej jest wyjątkowo trudne do zbadania eksperymentalnie. Dotychczasowa wiedza na temat mechanizmów takiej przemiany opiera się więc głównie na wynikach przewidywań teoretycznych. Badacze z międzynarodowego zespołu prof. Antonowicza postanowili podjąć wyzwanie sprawdzenia w warunkach eksperymentalnych, jak cienkie warstwy krystalicznego palladu topią się w skali czasowej rzędu pikosekund.

Wykorzystali do tego celu metodę pump-probe, w której energia jest dostarczana do badanej próbki w postaci femtosekundowego impulsu lasera optycznego (pump), a stan układu próbkuje femtosekundowy impuls promieniowania rentgenowskiego (probe) generowanego przez laser na swobodnych elektronach. Zmiana opóźnienia impulsu rentgenowskiego względem impulsu optycznego umożliwiła zarejestrowanie serii zdjęć dyfrakcyjnych odpowiadającym poszczególnym etapom przemiany próbki ze stanu krystalicznego w stan ciekły. Otrzymane dane doświadczalne zostały skonfrontowane z rezultatami wielkoskalowych symulacji komputerowych prowadzonych metodami dynamiki molekularnej. Uzyskano w ten sposób spójny, szczegółowy model fizyczny topnienia, w którym tempo zachodzenia przemiany wynika z względnego udziału dwóch konkurencyjnych mechanizmów przemiany: heterogenicznego, inicjowanego w strukturalnie nieuporządkowanych granicach ziaren, oraz homogenicznego, zachodzącego katastrofalnie w objętości kryształu.

Wykazano, że wraz z rosnącą energią wzbudzenia, gwałtowne topnienie homogeniczne staje się mechanizmem dominującym nad względnie powolnym topnieniem heterogenicznym. 

Dane doświadczalne wykorzystane w pracy uzyskano w ramach eksperymentu zrealizowanego na instrumencie FXE (Femtosecond X-ray Experiments) europejskiego lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach (European X-ray Free Electron Laser - EuXFEL). Uzyskane wyniki stanowią zasadniczą część będącej w przygotowaniu rozprawy doktorskiej mgr. inż. Adama Olczaka — współautora pracy.

Z artykułem Structural pathways for ultrafast melting of optically excited thin polycrystalline Palladium films można się zapoznać pod adresem: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120043