Uma nova pesquisa, conduzida no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, ilumina o estranho comportamento do ouro quando eletrocutado com pulsos de laser de alta energia.



Quando certos materiais, como o silício, são submetidos a intensa excitação do laser, eles se desintegram rapidamente. Mas o ouro faz o oposto:torna-se mais resistente e resiliente. Isso ocorre porque a maneira como os átomos de ouro vibram juntos – seu comportamento fônon – muda.

“Nossas descobertas desafiam entendimentos anteriores, mostrando que, sob certas condições, metais como o ouro podem se tornar mais fortes, em vez de derreter, quando submetidos a intensos pulsos de laser”, disse Adrien Descamps, pesquisador da Queen’s University Belfast, que liderou a pesquisa enquanto era graduado. estudante em Stanford e SLAC. "Isso contrasta com os semicondutores, que se tornam instáveis ​​e derretem."

Durante décadas, simulações sugeriram a possibilidade desse fenômeno, conhecido como endurecimento de fônons. Agora, usando a Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC, os pesquisadores finalmente trouxeram à luz esse endurecimento de fônons. A equipe publicou seus resultados em Science Advances .

“Tem sido uma jornada fascinante ver as nossas previsões teóricas confirmadas experimentalmente”, disse a colaboradora Emma McBride, pesquisadora da Queen's University Belfast que anteriormente foi bolsista Panofsky na divisão High Energy Density Science (HEDS) do SLAC. “A precisão com que agora podemos medir estes fenómenos no LCLS é surpreendente e abre novas possibilidades para futuras pesquisas em ciência dos materiais.”

Em seu experimento, a equipe direcionou filmes finos de ouro com pulsos de laser óptico na gaiola experimental Matter in Extreme Conditions e, em seguida, usou pulsos de raios X super-rápidos do LCLS para tirar instantâneos em nível atômico de como o material respondeu. Este vislumbre de alta resolução do mundo atômico do ouro permitiu aos pesquisadores observar mudanças sutis e capturar o momento em que suas energias de fônons aumentaram, fornecendo evidências concretas do endurecimento dos fônons.

"Usamos difração de raios X no LCLS para medir a resposta estrutural do ouro à excitação do laser", disse McBride. "Isso revelou insights sobre os arranjos atômicos e a estabilidade sob condições extremas."

Os pesquisadores descobriram que quando o ouro absorve pulsos de laser óptico de energia extremamente alta, as forças que mantêm seus átomos unidos tornam-se mais fortes. Esta mudança faz com que os átomos vibrem mais rapidamente, o que pode alterar a forma como o ouro responde ao calor e pode até afetar a temperatura a que derrete.

“Este trabalho resolve uma questão de longa data sobre a excitação ultrarrápida de metais e mostra que lasers intensos podem alternar completamente a resposta da rede”, disse Siegfried Glenzer, diretor da Divisão de Alta Densidade de Energia do SLAC.

Os pesquisadores acreditam que fenômenos semelhantes podem existir em outros metais, como alumínio, cobre e platina. Uma exploração mais aprofundada poderá levar a uma melhor compreensão de como os metais se comportam sob condições extremas, o que ajudará no desenvolvimento de materiais mais resilientes.

"Olhando para o futuro, estamos entusiasmados com o potencial de aplicação destas descobertas a aplicações mais práticas, como na maquinação a laser e na fabricação de materiais, onde a compreensão destes processos a nível atómico pode levar a técnicas e materiais melhorados", disse Descamps. "Também estamos a planear mais experiências e esperamos explorar estes fenómenos numa gama mais ampla de materiais. É um momento emocionante para o nosso campo e estamos ansiosos por ver aonde estas descobertas nos levarão."

Mais informações: Adrien Descamps et al, Evidência de endurecimento de fônons em ouro excitado por laser usando difração de raios X em um laser de elétrons livres de raios X duros, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adh5272
Fornecido pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC