Российские физики пробили алюминиевую фольгу терагерцовым импульсом

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: ωτ_c ≪ 1. В самом деле, в данном эксперименте ω ~ 10⁻¹² и τ_c ~ 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