Физики впервые увидели движение ударной волны в алмазе

Физики из синхротронного центра DESY с помощью рентгеновского излучения впервые увидели, как в алмазе распространяется ударная волна. Работа опубликована в журнале Scientific Reports, а кратко с ней можно ознакомиться на сайте центра.

Для эксперимента авторы разработали новый рентгеновский микроскоп, предназначенный для работы с излучением лазеров на свободных электронах. По принципу работы этот микроскоп больше напоминает собой проектор: высокоэнергетическое излучение фокусируется с помощью рентгеновской преломляющей линзы в точку, в 11,5 сантиметрах позади которой располагается образец алмаза. Лучи, проходя через образец, расходятся и формируют изображение на детекторе, расположенном в 4,3 метра от фокуса. В результате изображение увеличивается в 37,6 раза.

Скорости распространения ударной волны в алмазе сопоставимы со скоростью звука и достигают 18,6 километров в секунду в отдельных направлениях. Поэтому для того, чтобы увидеть ее фронт, необходимы выдержки значительно короче обычных фотографических — в работе авторы использовали пучки рентгеновского излучения продолжительностью всего 50 фемтосекунд — квадрилионных долей секунды. 

В качестве образца физики использовали алмазную пластинку длиной 3 сантиметра и толщиной 0,3 миллиметра. Ударная волна создавалась в ней с помощью интенсивного лазерного импульса, сфокусированного в объеме кристалла. Движение ударной волны удалось увидеть благодаря тому, что ее фронт сжимает вещество алмаза и тем самым снижает его прозрачность для рентгеновского излучения. 

По результатам измерения, скорость ее движения составила от 18,2 до 21,6 километров в секунду, что хорошо соотносится с известным значением скорости звука в алмазе. По словам авторов, новая техника позволяет получать изображения с разрешением в 500 нанометров, а при оптимизации детектора и параметров исходного пучка излучения можно достигнуть и 100 нанометров.

Получить пучок излучения необходимой мощности и продолжительности удалось благодаря LCLS (Linac Coherent Light Source). Это первый лазер на свободных электронах, создающий жесткое рентгеновское излучение. Внутри этого устройства происходят вынужденные колебания электронов в специальных ундуляторах — наборах магнитов, определенным образом формирующих магнитное поле. В процессе движения электроны испускают кванты света высоких энергий, соответствующие рентгеновскому диапазону. Сейчас в мире идет постройка самого большого лазера на свободных электронах — EXFEL.