Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
В помощь читателю
Миллисекунды
Микросекунды
Наносекунды
Пикосекунды
Атомное движение
Пределы звука
Как начинается плавление
Пределы электроники
Электромагнитные волны
Элементарные частицы
Фемтосекунды
Аттосекунды
Зептосекунды
Йоктосекунды
От секунды до года
Астрономические времена
Сонолюминесценция
Фолдинг белков
Возбужденные атомы
Ядерные распады
Элементарные частицы
Движение континентов
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram





Главная / Масштабы: времена / Пикосекунды / Как начинается плавление

Пикосекунды: 3. Как начинается плавление

Результат моделирования быстрого плавления льда при поглощении сверхкороткого и мощного\nлазерного импульса: спустя 25 пс нанокристаллик полностью расплавился

Результат моделирования быстрого плавления льда при поглощении сверхкороткого и мощного лазерного импульса: спустя 25 пс нанокристаллик полностью расплавился. Изображение из статьи: David van der Spoel et al., 2008. Structural studies of melting on the picosecond time scale

Раз в пикосекундном диапазоне становится заметным атомное движение, значит где-то здесь находятся элементарные этапы разных процессов превращения вещества. Возьмем, к примеру, плавление. Обычно говорят: если к твердому телу подвести достаточно тепла, оно расплавится. Но плавление — это же не мгновенный процесс, плавление тоже как-то начинается. Конечно, если нагревать тело медленно, то и плавление начнется нескоро. А что если максимально ускорить этот процесс? Через сколько времени после сверхрезкого нагрева мы сможем сказать, что кристалл расплавился?

Сверхбыстрого нагрева можно добиться, если «выстрелить» в кристалл очень коротким и очень мощным лазерным импульсом. Мы уже видели, что в конечном счете происходит с веществом после этого выстрела на наносекундном масштабе. А сейчас мы разберемся с тем, как этот процесс начинается.

Этапы сверхбыстрого плавления кристалла при поглощении мощного лазерного импульса
Этапы сверхбыстрого плавления кристалла при поглощении мощного лазерного импульса

Сгусток лазерного света поглощается в некотором слое кристаллической решетки, и тем самым он словно наносит по кристаллу хлесткий локализованный удар. В кристаллической решетке возбуждается очень сильное колебание, мощная фононная волна. При экстремальном нагреве эта фононная волна резко, буквально за одно колебание нарушает атомный порядок в кристалле — и вот тогда кристалл локально превращается в жидкость. Но это колебание должно проколебаться! Как мы уже знаем, период фононных колебаний — несколько пикосекунд, иногда больше. Отсюда мы получаем простую оценку для минимального времени теплового плавления — пикосекунды. Многочисленные эксперименты подтверждают этот вывод.

На самом деле, эта простая иллюстрация — лишь вершина огромного айсберга сложных процессов, которые происходят в веществе при сверхбыстром локальном нагревании. Например, на первом этапе процесса ключевую роль играют электроны. Ведь свет-то поглощают именно они, а не атомные ядра. В результате в самый первый момент после поглощения лазерного импульса, буквально в ходе первой пикосекунды, кристалл превращается в нечто поразительное. Кристаллическая решетка еще не нарушена, атомы еще не сдвинулись, зато электроны уже резко нагрелись, снуют туда-сюда меж холодных пока атомов. В задачке Горячие электроны мы выяснили, что лишь спустя несколько пикосекунд электроны смогут передать свою энергию кристаллической решетке. Только тогда кристалл зашевелится и в нём начнется фононное колебание. Вот такая череда физических эффектов скрывается за простыми словами «лазерный импульс нанес удар по кристаллу».

Ну и напоследок — маленький сюрприз от природы. Оказывается, в определенных ситуациях некоторые вещества способны расплавиться за десятые доли пикосекунды! Казалось бы, это противоречит только что сделанным оценкам, но причин для паники нет. Оказывается, в этой ситуации включается другой, нетепловой механизм плавления кристалла. Что это за механизм и почему он такой быстрый — читайте в послесловии к нашей задаче про горячие электроны.

Назад: Пределы звука  |  Далее: Пределы электроники

 

Комментировать
 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия