Металл «пульсирует» 1 триллион раз в секунду благодаря свету и давлению электронов

Исследователи впервые наглядно продемонстрировали, что сверхкороткие лазерные импульсы создают не тепло, а механическое воздействие электронов в нанослоях платины и меди, вызывая колебания

В новом исследовании, представленном в журнале Nature Communications, физики проанализировали искусственную «слоистую» структуру, состоящую из чередующихся нанослоёв платины и меди толщиной всего несколько нанометров. Эти конструкции фактически представляют собой рукотворную кристаллическую решётку, в которой можно точно регулировать поведение атомов и электронов.

Эксперимент проводился на установке MID (Materials Imaging and Dynamics) в рамках European XFEL — одного из наиболее мощных источников рентгеновского излучения в мире, который позволяет «запечатлеть» движение атомов в реальном времени. Для возбуждения структуры использовались сверхкороткие лазерные импульсы длительностью около 10-15 секунд, после чего изменения фиксировались столь же короткими рентгеновскими импульсами.

После облучения система начинала колебаться с частотой примерно 1 терагерц — около триллиона колебаний в секунду. При этом платиновые нанослои периодически расширялись и сжимали медные слои. Такой ответ оказался слишком быстрым, чтобы его можно было объяснить классическим механизмом теплопередачи, при котором сначала нагреваются электроны, а затем — кристаллическая решётка.

Главный вывод работы заключается в том, что движение инициализируется не нагревом атомов, а давлением «горячих электронов», преимущественно в платине. По сути, электроны, возбужденные лазером, отражаются на границах слоёв и интерфейсах материалов, создавая импульс давления, который буквально «вдавливает» структуру изнутри и запускает механические колебания.

По словам одного из авторов исследования, Яна-Этьенна Пуделла (Jan-Etienne Pudell) из Европейского XFEL, наблюдаемый эффект оказался неожиданным: колебания не связаны с тепловым расширением решётки, а вызваны именно давлением электронов. Похожую интерпретацию дал и руководитель исследовательского центра SFB 1636 в Университете Потсдама Матиас Баргхер (Matias Bargheer), подчеркивая, что речь идет о непосредственном воздействии электронов на атомную структуру в масштабе менее одной триллионной секунды.

Важно отметить, что эффект оказался управляемым: характер колебаний зависит от выбора материалов и толщины слоёв. Это означает, что подобные структуры можно потенциально «настраивать» под конкретные задачи — от управления ультрабыстрыми процессами переноса энергии до контроля химических реакций на поверхности.

Физически значимым результатом стало установление связи между движением электронов, тепловыми процессами и механическим ответом наноструктуры. Давление электронов, возникающее при отражении на границах слоёв, может передаваться поверхностным молекулам, влияя на химические реакции на поверхности металла.

Таким образом, эксперимент с платиново-медной наноструктурой демонстрирует, что свет в ультракоротких импульсах может инициировать не только нагрев, но и непосредственное механическое воздействие посредством давления электронов. Это уточняет основную картину взаимодействия света и вещества и открывает путь к управляемым сверхбыстрым процессам в наноматериалах и плазмохимии.