Imaginez un groupe de personnes se tenant la main, se balançant doucement ensemble, mais lorsqu’elles sont soudainement poussées, elles lient leurs bras plus étroitement pour résister à la poussée et tremblent plus rapidement pour résister à la perturbation.
De même, des chercheurs du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère américain de l’Énergie ont découvert que la poussée que reçoivent les atomes d’or lorsqu’ils sont exposés à des impulsions laser intenses contribue à resserrer les liaisons entre ses molécules et à les faire vibrer plus rapidement, contrairement à ce qui est courant pour d’autres matériaux.
Alors que de nombreux matériaux, tels que le silicium, s’effondrent généralement lorsqu’ils sont exposés à un laser, les chercheurs de la nouvelle étude publiée dans la revue Science Advances ont observé que l’or devient plus dur et plus flexible, un phénomène connu sous le nom de durcissement des phonons.
« Phonon » fait référence à l’énergie vibratoire transmise à travers un matériau solide. Lorsque les matériaux sont exposés à des forces externes ou à des changements de température, les atomes à l’intérieur du matériau vibrent, et ces vibrations peuvent être décrites en termes de « phonons ».
Le « durcissement des phonons » fait référence à un phénomène dans lequel le comportement vibratoire des atomes au sein d’un matériau change en réponse à des stimuli externes, tels que des impulsions laser intenses. Ce changement entraîne une augmentation de la rigidité du matériau en raison de changements dans la façon dont les phonons se propagent à travers le réseau cristallin.
Pendant des décennies, les simulations ont laissé entendre la possibilité de ce phénomène, mais grâce à la source de lumière cohérente LCLS du SLACK National Accelerator Laboratory, les chercheurs ont finalement pu démontrer le durcissement des phonons dans la pratique.
Pourquoi LCLS ?
La source de lumière cohérente (LCLS) est l’appareil laser à rayons X le plus puissant au monde et est unique par son mécanisme de fonctionnement qui repose sur les éléments suivants :
Technologie laser à électrons libres : Contrairement aux appareils laser traditionnels qui utilisent des miroirs pour amplifier la lumière générée par des atomes ou des molécules, l’appareil utilise des faisceaux d’électrons à haute énergie qui se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, et ces électrons sont accélérés via un accélérateur linéaire. pour obtenir de l’énergie.
Génération d’impulsions de rayons X : Une fois que les électrons sont suffisamment accélérés, ils sont dirigés vers un long réseau d’aimants ondulés. En mode ondulé, les électrons sont forcés d’osciller d’avant en arrière, émettant ainsi d’intenses rafales de rayons X. Ce rayonnement est cohérent, ce qui signifie que les ondes émises par les électrons individuels sont synchronisées, ce qui donne lieu à des impulsions de rayons X intenses et hautement focalisées.
Spectre de rayons X accordable : L’une des caractéristiques du dispositif LCLS est sa capacité à produire des rayons X avec une large gamme de longueurs d’onde et d’énergies. Les scientifiques peuvent ajuster la longueur d’onde des impulsions de rayons X en ajustant l’énergie du faisceau d’électrons ou la force du champ magnétique, et l’ajustabilité permet aux chercheurs d’adapter les rayons X aux besoins spécifiques de leurs expériences.
Résolution temporelle ultra-rapide : C’est un autre aspect important. Les impulsions de rayons X générées par le LCLS sont extrêmement courtes et ne durent qu’une femtoseconde. Cette échelle de temps ultra-rapide permet aux scientifiques de capturer des instantanés de processus ultra-rapides, tels que les réactions chimiques. Ou des changements dans la structure atomique – avec des détails sans précédent.
Le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC exploite le laser à rayons X le plus puissant au monde (Laboratoire national des accélérateurs)
De la préparation à la preuve
Le processus d’utilisation de cet appareil unique pour démontrer le comportement différent de l’or lorsqu’il est exposé à un laser intense a traversé plusieurs étapes expliquées par les chercheurs de l’étude, à savoir :
Montage expérimental:
Les chercheurs ont commencé par préparer de minces films d’or destinés à des expériences, conçus pour être minces afin de permettre un contrôle et une observation précis du comportement du matériau sous une excitation laser intense.
Ciblage avec des impulsions optiques laser :
Les chercheurs ont utilisé des impulsions optiques laser pour irradier de minces films d’or, et ces impulsions laser ont fourni l’énergie intense nécessaire pour exciter les atomes d’or et induire la solidification des phonons.
Capturez des instantanés au niveau atomique :
Après avoir irradié les films d’or avec des impulsions laser optiques, les chercheurs ont utilisé les impulsions de rayons X ultrarapides du dispositif Coherent Light Source (LCLS) pour capturer des instantanés au niveau atomique de la réaction du matériau. Ces impulsions de rayons X ont permis de capturer des processus incroyablement rapides. Cela a permis aux chercheurs de surveiller le comportement des atomes d’or avec une grande précision.
Mesures de diffraction des rayons X :
Les chercheurs ont utilisé des techniques de diffraction des rayons X dans un instrument à source de lumière cohérente (LCLS) pour mesurer la réponse structurelle de l’or lorsqu’il est excité par un laser. La diffraction des rayons X est un outil puissant pour étudier la disposition des atomes dans la matière et la manière dont ils évoluent dans différentes conditions. En analysant les diagrammes de diffraction produits par les impulsions de rayons X, les chercheurs ont pu mieux comprendre les arrangements atomiques et la stabilité des films d’or dans des conditions extrêmes.
Notez le «durcissement des phonons» :
A travers leurs expériences, les chercheurs ont observé le phénomène de « durcissement des phonons » dans l’or. Ce phénomène indique le renforcement des liaisons du matériau et une augmentation des énergies des phonons lorsqu’ils sont exposés à des impulsions laser intenses. En observant des changements dans le comportement vibratoire des atomes d’or, les chercheurs ont pu fournir des preuves concrètes du « durcissement des phonons » dans l’or. De l’or lorsqu’il est exposé à des conditions difficiles.
Analyse et interprétation des données :
Enfin, les chercheurs ont analysé les données recueillies lors de leurs expériences pour interpréter les résultats, et ont comparé leurs observations avec les prédictions théoriques et les simulations précédentes pour vérifier la validité de leurs résultats. Les preuves expérimentales obtenues ont confirmé le phénomène de « durcissement des phonons » dans l’or, qui constitue un défi aux concepts antérieurs et ouvre de nouveaux horizons pour la recherche. En science des matériaux.
3 applications potentielles
Dans un communiqué de presse publié par le National Accelerator Laboratory (SLAC) du ministère américain de l’Énergie, les chercheurs ont exprimé leur satisfaction quant à leurs résultats, et le communiqué a cité trois applications importantes qui pourraient émerger de cette découverte :
Techniques améliorées de fabrication laser et de fabrication de matériaux : Comprendre comment des matériaux tels que l’or réagissent à des impulsions laser intenses au niveau atomique peut conduire au développement de techniques améliorées de fabrication laser et de fabrication de matériaux. En tirant parti des connaissances acquises lors de l’étude de la solidification des phonons, les chercheurs pourraient être en mesure d’améliorer la précision, l’efficacité et la fiabilité des processus impliquant la découpe, la gravure et le façonnage de matériaux à l’aide de lasers.
Développer des matériaux plus flexibles : La découverte de la solidification des phonons dans l’or ouvre de nouvelles possibilités pour concevoir des matériaux plus flexibles. En exploitant les mécanismes à l’origine de ce phénomène, les chercheurs pourraient être en mesure de concevoir des matériaux solides, durables et résistants aux conditions difficiles. Ces matériaux pourraient trouver des applications dans diverses industries, notamment l’aérospatiale, l’automobile, l’électronique et la construction, où la durabilité et la fiabilité sont essentielles. exigences critiques.
Explorer des phénomènes similaires dans d’autres métaux : Les chercheurs pensent que des phénomènes similaires peuvent exister dans d’autres métaux, comme l’aluminium, le cuivre et le platine. Une exploration plus approfondie de la solidification des phonons dans ces matériaux fournit des informations précieuses sur leur comportement dans des conditions extrêmes et ouvre la voie au développement de nouveaux matériaux dotés de propriétés distinctives. Ces connaissances peuvent avoir de vastes implications pour diverses applications technologiques et progrès scientifiques.
Des questions qui nécessitent des réponses
Pour sa part, Khaled Farhat, chercheur en science des matériaux à l’Université égyptienne de Zagazig, salue les résultats obtenus par les chercheurs, mais il estime d’un autre côté que des expériences devraient être complétées pour répondre à certaines questions, soulignant que cela est nécessaire pour que la découverte peut être utilisée dans de nombreuses applications.
Parmi ces questions mentionnées par Farahat lors d’un entretien téléphonique avec Al Jazeera Net figurent celles liées aux « stratégies d’amélioration et de contrôle », et il dit : « Est-il possible de contrôler ou d’améliorer le durcissement des phonons pour accroître ses effets bénéfiques dans les matériaux », indiquant que la réponse à cette question vient de Cela aidera à atténuer les défis ou limitations potentiels dans les applications pratiques.
Il explique que les chercheurs doivent également répondre à une question liée à « la stabilité et la fiabilité à long terme », car ils doivent savoir « comment le durcissement des phonons affecte la stabilité et la fiabilité à long terme des matériaux dans différentes conditions de fonctionnement ».
« Des expériences étudiant la stabilité et la fiabilité des matériaux soumis à une solidification de phonons sur de longues périodes fourniraient des informations cruciales pour évaluer la faisabilité et la durabilité des matériaux dans des applications réelles », explique-t-il.
