Una nueva investigación, realizada en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, arroja luz sobre el extraño comportamiento del oro cuando se le aplica pulsos láser de alta energía.

Cuando ciertos materiales, como el silicio, se someten a una intensa excitación láser, rápidamente se desmoronan. Pero el oro hace lo contrario:se vuelve más duro y resistente. Esto se debe a que la forma en que los átomos de oro vibran juntos (su comportamiento de fonones) cambia.

"Nuestros hallazgos desafían conocimientos previos al mostrar que, bajo ciertas condiciones, los metales como el oro pueden volverse más fuertes en lugar de fundirse cuando se los somete a intensos pulsos láser", dijo Adrien Descamps, investigador de la Queen's University de Belfast, quien dirigió la investigación mientras era graduado. Estudiante en Stanford y SLAC. "Esto contrasta con los semiconductores, que se vuelven inestables y se funden."

Durante décadas, las simulaciones insinuaron la posibilidad de este fenómeno, conocido como endurecimiento de fonones. Ahora, utilizando la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, los investigadores finalmente han sacado a la luz este endurecimiento de fonones. El equipo ha publicado sus resultados en Science Advances .

"Ha sido un viaje fascinante ver confirmadas experimentalmente nuestras predicciones teóricas", dijo la colaboradora Emma McBride, investigadora de la Queen's University de Belfast, que anteriormente fue becaria de Panofsky en la división de Ciencias de Alta Densidad de Energía (HEDS) de SLAC. "La precisión con la que ahora podemos medir estos fenómenos en LCLS es asombrosa y abre nuevas posibilidades para futuras investigaciones en ciencia de materiales".

En su experimento, el equipo apuntó a películas delgadas de oro con pulsos de láser óptico en la conejera experimental Materia en Condiciones Extremas, luego utilizó pulsos de rayos X súper rápidos del LCLS para tomar instantáneas a nivel atómico de cómo respondió el material. Esta visión de alta resolución del mundo atómico del oro permitió a los investigadores observar cambios sutiles y capturar el momento en que las energías de sus fonones aumentaron, proporcionando evidencia concreta del endurecimiento de los fonones.

"Utilizamos difracción de rayos X en LCLS para medir la respuesta estructural del oro a la excitación del láser", dijo McBride. "Esto reveló información sobre la disposición atómica y la estabilidad en condiciones extremas."

Los investigadores descubrieron que cuando el oro absorbe pulsos de láser óptico de energía extremadamente alta, las fuerzas que mantienen unidos sus átomos se vuelven más fuertes. Este cambio hace que los átomos vibren más rápido, lo que puede cambiar la forma en que el oro responde al calor e incluso podría afectar la temperatura a la que se funde.

"Este trabajo resuelve una cuestión de larga data sobre la excitación ultrarrápida de los metales y muestra que los láseres intensos pueden alternar completamente la respuesta de la red", dijo Siegfried Glenzer, director de la División de Alta Densidad de Energía de SLAC.

Los investigadores creen que podrían existir fenómenos similares en otros metales como el aluminio, el cobre y el platino. Una mayor exploración podría conducir a una mejor comprensión de cómo se comportan los metales en condiciones extremas, lo que ayudará al desarrollo de materiales más resistentes.

"De cara al futuro, estamos entusiasmados con la posibilidad de aplicar estos hallazgos a aplicaciones más prácticas, como el mecanizado láser y la fabricación de materiales, donde comprender estos procesos a nivel atómico podría conducir a mejores técnicas y materiales", dijo Descamps. "También estamos planeando más experimentos y esperamos explorar estos fenómenos en una gama más amplia de materiales. Es un momento emocionante para nuestro campo y estamos deseando ver adónde nos llevan estos descubrimientos".

Más información: Adrien Descamps et al, Evidencia del endurecimiento de fonones en oro excitado por láser mediante difracción de rayos X en un láser de electrones libres de rayos X duros, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adh5272

Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC