​Российские физики впервые увидели, как тонкая алюминиевая фольга разрушается в результате воздействия короткого импульса интенсивного терагерцового излучения (частота порядка одного-двух терагерц). Кроме того, они проверили, какую форму приобретают разрушения при воздействии последовательности импульсов, и объяснили наблюдаемую картину с помощью электрострикции. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Электромагнитное излучение разбивается на несколько диапазонов, отличающихся частотой и обладающих различными характерными свойствами. Например, микроволновое излучение (частоты от 300 мегагерц до 300 гигагерц) легко поглощается диэлектриками, а потому его часто используют для бесконтактного нагрева тел — так, бытовые микроволновые печи работают на частоте около 2,5 гигагерц. В то же время, рентгеновское излучение, квантовые свойства которого проявляются гораздо сильнее, лучше проходит сквозь вещество. Человек при этом может воспринимать электромагнитное излучение только в узком диапазоне от 450 (красный свет) до 750 (синий) терагерц, что примерно соответствует длинам волн от 700 до 400 нанометров.

В последнее время ученые стали выделять в отдельную категорию терагерцовое излучение — излучение с частотой от 0,3 до 3 терагерц, находящееся между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Такое излучение свободно проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами (металлами). В настоящее время этот диапазон частот активно исследуется. Особенный интерес для физиков представляет терагерцовое излучение высокой интенсивности, которое используется в оптоэлектронике.

Группа физиков из Объединенного института высоких температур РАН и Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН под руководством академика Владимира Фортова сосредоточилась на изучении взаимодействия интенсивного терагерцового излучения с веществом. Для этого они направляли короткие импульсы излучения на алюминиевую фольгу, толщина которой была сравнима с глубиной проникновения излучения (то есть толщиной скин-слоя), и впервые добились разрушения фольги. Кроме того, они объяснили наблюдаемые эффекты с помощью простой модели.

Экспериментальная установка, которую использовали ученые, выглядела следующим образом. Терагерцовые импульсы генерировались в результате оптического выпрямления (optical rectification) лазерных импульсов частотой 240 терагерц (длина волны 1240 нанометров) и длительностью 100 фемтосекунд, прошедших через кристалл DSTMS. Затем полученное излучение фокусировалось с помощью двух параболических зеркал в узкое пятно на поверхности фольги, прикрепленной к стеклянной подложке, так что поток энергии импульса достигал 300 миллиджоулей на квадратный сантиметр, а суммарная мощность импульса — 76 микроджоулей. Наконец, после выстрела исследователи рассматривали с помощью сканирующего электронного микроскопа участок фольги, на котором фокусировалось излучение.

В результате физики обнаружили, что когда интенсивность импульса превышает определенный порог, фольга разрушается, и в ней появляется круглый «кратер». При этом площадь «кратера» оказывается прямо пропорциональна суммарной мощности импульса, и это позволяет определить пороговое значение I ≈ 40 микроджоулей. До этого порога разрушение не происходит, хотя фольга начинает расслаиваться и растрескиваться. Такие разрушения можно объяснить тем, что вспышка интенсивного терагерцового излучения «раскачивает» электроны проводимости, которые передают свою энергию кристаллической решетке и разогревают пленку. В результате фольга резко нагревается, расширяется и рвется.

Затем ученые проверили, что произойдет с фольгой, если направить в одну и ту же ее точку не один, а множество последовательных терагерцовых импульсов (порядка ста). Оказалось, что в этом случае края «кратера» оказываются очень сильно рваными, причем «зубцы» (или «каналы», как их называют авторы) располагаются перпендикулярно направлению электрического поля импульса. Эта картина существенно отличается от разрушений, вызванных вспышкой в видимом диапазоне. Кроме того, характерный размер «зубцов» отличается от длины как электромагнитных, так и акустических волн, которые характерны для экспериментальной установки.

Подобное поведение ученые предлагают объяснить с помощью механизма электрострикции (electrostriction phenomenon) — изменением линейных размеров вещества при приложении к нему электрического поля. Для этого электрическое поле должно успеть полностью проникнуть внутрь материала и навести в нем электрический ток, то есть произведение частоты колебаний поля и среднего времени между столкновениями электронов и решетки должно быть много меньше одного: ωτc ≪ 1. В самом деле, в данном эксперименте ω ~ 10−12 и τc ~ 10−14. Раньше этот механизм в тонких металлических пленках не наблюдался.

В декабре прошлого года ученые из России, Чехии и Германии исследовали электрические свойства бактерии Shewanella oneidensis и показали, что их можно объяснить с помощью модели Джоншера, разработанной в конце прошлого века для описания аморфных тел. А в сентябре 2016 года мы писали о том, как американские ученые научились читать с помощью терагерцового излучения закрытые книги.

Дмитрий Трунин

Похожие новости

  • 22/03/2017

    Академик Фортов: достижения современной физики помогут развивать здравоохранение

    ​Применение достижений современной физики поможет решать серьезные задачи в здравоохранении, а разработанная с участием Российской академии наук программа "Физика — медицине" позволит объединить усилия академических ученых разных специальностей, заявил глава РАН Владимир Фортов.
    891
  • 30/06/2016

    Возрастет доля российских исследований на «Европейском источнике синхротронного излучения»

    Министр образования и науки Российской Федерации Дмитрий Ливанов побывал с рабочим визитом в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в г. Гренобле (Франция). Руководитель Минобрнауки России встретился с Генеральным директором Центра Франческо Сетте и с главами руководящего органа организации.
    1192
  • 01/08/2016

    Андрей Гапонов-Грехов: наука всегда была в моей жизни

    ​Говорят, незаменимых людей нет, однако пример академика Андрея Викторовича Гапонова-Грехова опровергает это суждение. Ему принадлежат множество ярких, выдающихся работ, которые и сейчас востребованы и актуальны.
    1803
  • 08/04/2016

    ФАНО России и РАН рассмотрели проекты регламента к Соглашению о сотрудничестве

    ​5 апреля 2016 года в г. Москве прошло 13 заседание рабочей группы в рамках Соглашения о сотрудничестве между ФАНО России и РАН, подписанного 10 сентября 2014 года руководителем ФАНО России Михаилом Котюковым и президентом РАН Владимиром Фортовым.
    2249
  • 10/10/2018

    Академик Александр Сергеев рассказал о проекте суперлазера

    Нынешнего лауреата Нобелевской премии по физике француза Жерара Муру и его работы хорошо знают в России, а ближе всех - в нижегородском Институте прикладной физики РАН. И не только знают, но и намерены развить деловое партнерство в рамках международного проекта XCELS - одного из шести научных мегапроектов, инициированных Россией.
    124
  • 18/06/2016

    Минпромторг России, ФАНО России и РАН подписали соглашение о сотрудничестве

    В подписании соглашения на полях Петербургского международного экономического форума-2016 приняли участие министр промышленности и торговли РФ России Денис Мантуров, руководитель Федерального агентства научных организаций Михаил Котюков и президент Российской академии наук Владимир Фортов.
    1684
  • 12/12/2017

    Александр Сергеев рассказал, как заказы от Росатома помогают академической науке

    ​Заказы со стороны госкорпорации "Росатом" по высокотехнологичным проектам оказывают серьезную финансовую помощь российским академическим научным институтам, сообщил президент Российской академии наук Александр Сергеев в интервью корпоративному изданию российской атомной отрасли газете "Страна Росатом".
    551
  • 18/06/2016

    Владимир Фортов и Алексей Миллер подписали Соглашение о научно-техническом сотрудничестве

    ​Сегодня в рамках Петербургского международного экономического форума — 2016 Председатель Правления ПАО «Газпром» Алексей Миллер и Президент Российской академии наук (РАН) Владимир Фортов подписали Соглашение о научно-техническом сотрудничестве.
    1128
  • 12/02/2018

    Демидовскую премию за 2017 год вручили физику, биохимику и агроному

    Демидовскую премию за 2017 год вручили в пятницу на торжественной церемонии в резиденции губернатора Свердловской области в Екатеринбурге физику Владимиру Фортову, биохимику Владимиру Скулачеву и агроному Геннадию Романенко.
    430
  • 31/05/2017

    Академик Александр Асеев: «Одно государство — две реальности»

    ​Общение во время совместного заседания президиумов РАН и Национальной академии наук Беларуси показало принципиальную разницу во взаимоотношениях науки и власти в двух странах одного союзного государства.
    880