В свежей публикации журнала Nature Communications физики представили результаты исследования искусственных многослойных наноструктур, состоящих из чередующихся тончайших пластов меди и платины. Подобные композиты представляют собой своего рода рукотворную кристаллическую решётку, позволяющую с высокой точностью манипулировать поведением атомных и электронных систем.
Экспериментальная часть работы была реализована на базе станции MID (Materials Imaging and Dynamics) в составе европейского центра XFEL — одного из самых совершенных источников рентгеновского излучения, способного фиксировать движение атомов в режиме реального времени. Исследователи подвергали структуру воздействию лазерных импульсов длительностью в единицы фемтосекунд, а затем с помощью ультракоротких рентгеновских вспышек отслеживали ответную реакцию материала.
После лазерного воздействия система начинала генерировать колебания с частотой около 1 терагерца, то есть триллион циклов в секунду. В процессе платиновые прослойки периодически расширялись, оказывая давление на медные слои. Столь высокая скорость отклика исключает классический механизм теплопередачи, при котором энергия передаётся от электронов к кристаллической решётке постепенно.
Основной вывод исследования заключается в том, что триггером движения служит не тепловое расширение, а давление «горячих» электронов, преимущественно в платине. Возбуждённые светом электроны, отражаясь от внутренних границ слоёв, создают импульс давления, который механически деформирует структуру изнутри, инициируя высокочастотную вибрацию.
Как отмечает один из соавторов статьи Ян-Этьенн Пуделл из European XFEL, выявленный эффект стал неожиданностью: колебательный процесс обусловлен исключительно электронным давлением, а не нагревом решётки. С ним солидарен и профессор Матиас Баргхер, руководитель центра SFB 1636 в Потсдамском университете, подчеркивающий, что речь идёт о прямом силовом воздействии электронов на структуру материала в субпикосекундном диапазоне.
Важнейшим аспектом стало подтверждение управляемости этого эффекта: параметры колебаний напрямую зависят от выбора материалов и геометрии слоёв. Это открывает перспективы создания «настраиваемых» метаматериалов для управления сверхбыстрой передачей энергии или каталитическими реакциями на поверхности.
Результаты исследования проясняют сложную взаимосвязь между электронными возбуждениями, теплофизикой и механическим откликом наноструктур. Давление электронов, возникающее на границах раздела слоёв, способно влиять на молекулы, находящиеся на поверхности, что предоставляет новые возможности для контроля плазмохимических процессов.
Эксперимент наглядно демонстрирует, что сверхкороткие лазерные импульсы способны выступать не только как источник тепла, но и как инструмент прямого механического воздействия. Это открытие не только дополняет фундаментальные представления о взаимодействии света с веществом, но и прокладывает путь к созданию технологий управления процессами в наномасштабе.
Источник: iXBT
