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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13796 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Ao longo do século passado, a compreensão da natureza da compressão por choque da matéria condensada tem sido um tópico importante. Cerca de 20 anos atrás, um laser de femtosegundo surgiu como um novo condutor de choque. Ao contrário das ondas de choque convencionais, uma onda de choque acionada por laser de femtosegundo cria microestruturas únicas nos materiais. Portanto, as propriedades desta onda de choque podem ser diferentes daquelas das ondas de choque convencionais. No entanto, o comportamento da rede sob a compressão de choque acionada por laser de femtosegundo nunca foi elucidado. Aqui relatamos o comportamento ultrarrápido da rede em ferro chocado pela irradiação direta de um pulso de laser de femtosegundo, diagnosticado por difração de laser de elétrons livres de raios X. Descobrimos que o estado de compressão inicial causado pela onda de choque acionada por laser de femtosegundo é o mesmo causado pelas ondas de choque convencionais. Também encontramos, pela primeira vez experimentalmente, o desvio temporal dos picos de tensão e ondas de deformação previstos teoricamente. Além disso, a existência de um pico de onda plástica entre os picos das ondas de tensão e deformação é uma nova descoberta que não foi prevista nem mesmo teoricamente. Nossas descobertas abrirão novos caminhos para o projeto de novos materiais que combinem resistência e resistência em uma relação de compromisso.

Estados altamente comprimidos por meio de ondas de choque têm sido essenciais para a compreensão de vários fenômenos, como síntese e fortalecimento de materiais1 e2, impactos de alta velocidade3, formação de planetas4 e fusão por confinamento inercial5. Propriedades de materiais como mecânicas, ópticas, elétricas e magnéticas mudam drasticamente em uma escala de tempo ultracurta quando submetidas à compressão de choque6,7. Esses estudos utilizaram principalmente explosivos, impactos de placas e lasers de alta potência como condutores de choque, principalmente porque tais condutores de choque podem criar transitoriamente um estado de choque termodinamicamente estável e termicamente equilibrado, ou seja, o estado Hugoniot8,9 no material.

O laser de femtosegundo é uma ferramenta relativamente nova acionada por choque que está em uso há cerca de 20 anos10,11,12,13. A irradiação direta com laser de femtosegundo de um filme fino de alumínio produz uma pressão de choque de 100 a 300 GPa, dependendo da intensidade do laser, estimada sob a suposição do estado Hugoniot . A onda de choque acionada por laser de femtosegundo no metal causa deformação plástica e, se o material tiver fases de alta pressão, transição de fase de alta pressão, deixando traços únicos, como estruturas de deslocamento únicas14,15 e a fase de alta pressão do ferro16 que não pode ser obtido por técnicas convencionais de compressão. Além disso, a deformação plástica induzida pela irradiação direta com laser de femtosegundo de metais tem sido aplicada para fortalecer os metais como uma nova técnica de peening a laser sem qualquer sobreposição sacrificial sob condições atmosféricas, chamada de peening a laser seco (DLP) 17,18, enquanto as técnicas convencionais de peening a laser o uso de lasers pulsados ​​​​de nanossegundos requer sobreposições sacrificiais, como revestimentos protetores e meios de confinamento de plasma .

As características da onda de choque acionada por laser de femtosegundo, como perfil de choque e pressão de pico, foram diagnosticadas experimentalmente usando esquemas de bomba e sonda ultrarrápidos, como interferometria ultrarrápida e elipsometria dinâmica ultrarrápida. Os estudos existentes, exceto o estudo de Evans13, utilizaram um esquema de confinamento de plasma, ou seja, a bomba laser passa através do substrato de vidro e irradia o fino filme metálico depositado no substrato de vidro, e o laser sonda irradia a superfície livre do filme. Embora este esquema acione uma onda de choque e suas características tenham sido exaustivamente estudadas, existe a preocupação de que elétrons e íons ejetados do metal durante o estágio inicial da irradiação do laser de femtosegundo possam afetar a formação de choque devido ao pré-aquecimento ou plasma. expansão porque a superfície metálica irradiada com laser é a interface com o substrato de vidro e os elétrons e íons ejetados ficam confinados na interface . Evans et al. mediram o comportamento ultrarrápido da parte traseira do metal quando o laser da bomba foi irradiado para a superfície livre do metal e relataram que ele era acionado por uma pressão de choque de 100 a 300 GPa, assumindo o estado Hugoniot . No entanto, não está claro se a onda de choque impulsionada pela irradiação direta do laser de femtosegundo é aplicável no estado Hugoniot. Além disso, técnicas interferométricas e espectroscópicas ultrarrápidas podem fornecer informações sobre o comportamento ultrarrápido de ondas acionadas por laser a partir de deslocamentos de ordem nanométrica com resolução temporal de picossegundos . No entanto, eles não podem fornecer informações diretas sobre o comportamento no nível da rede, o que é crítico para a compreensão do comportamento elastoplástico e de transição de fase sob compressão de choque .