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 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.
Пределы электроники Пределы звука