Международный коллектив физиков, в который входили ученые из Института теоретической физики имени Ландау, сумел уточнить модель разрушения тонких пленок рутения под воздействием мощного лазера. Такими пленками покрывают зеркала для Европейского лазера на свободных электронах, благодаря которому можно изучать детальное молекулярное строение вирусов и протекание химических реакций. Понимая, что происходит с тонкими пленками при длительном воздействии лазера, ученые смогут создавать более долгосрочные покрытия для зеркал XFEL. Работа опубликована в журнале Applied Surface Science, о полученных результатах сообщает пресс-служба ИТФ РАН.
Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) — уникальный научный прибор, способный создавать сверхмощные лазерные импульсы в очень широком диапазоне частот, главным образом, рентгеновского диапазона. С частотой 27 000 раз в секунду он производит ультракороткие вспышки, яркость которых в миллиарды раз выше той, что можно добиться на других установках. С их помощью ученые из самых разных областей науки могут с разрешением в десятые доли нанометра изучать структуру биологических молекул, исследовать процессы, происходящие в топливных элементах, и даже «фотографировать» и собирать из снимков «кино» о сверхбыстрых химических реакциях — например, тех, что происходят при катализе.
Но из-за особенностей отражения рентгеновских импульсов на XFEL нельзя использовать обычную оптику. Рентгеновские лучи легко входят в большинство материалов, а не отражаются от них. Чтобы решить эту проблему и получить отраженный в нужном направлении пучок излучения, используют особые зеркала, покрытые сверхтонкими пленками из тяжелых металлов — например, золота или рутения. Зеркала располагаются так, что рентгеновские пучки сталкиваются с их поверхностью под очень малыми углами и частично отражаются.
Однако при взаимодействии с мощным рентгеновским излучением покрытие зеркала неизбежно портится. Понимая, какие именно процессы происходят с покрывающей зеркало пленкой, исследователи смогут создавать более долговечные покрытия. «Но для этого необходимо иметь модель, которая бы детально описывала, что происходит при взаимодействии рентгеновского излучения и вещества покрытия, — объясняют соавторы новой работы, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник сектора плазмы и лазеров ИТФ имени Л. Д. Ландау Наиль Иногамов и научный сотрудник Университета Твенте в Голландии Игорь Милов. — Мы занимаемся созданием такой модели с 1970-х годов, и сегодня она детально описывает множество происходящих при абляции процессов и позволяет делать точные предсказания относительно того, что будет с пленкой при тех или иных условиях».
Когда мощный когерентный рентгеновский пучок облучает пленку или любую другую металлическую мишень, вещество начинает испаряться с поверхности мишени из-за сильного нагрева. Этот процесс называется лазерной абляцией. Если мощность лазерного импульса превышает определенное пороговое значение, происходит взрыв, оставляющий после себя воронку наподобие кратера. Такие абляционные кратеры снижают отражающую способность зеркал. Однако на практике невозможно непосредственно изучить, что происходит при абляции металлических пленок под воздействием сверхмощных лазерных импульсов. Процессы протекают настолько быстро, что никакие приборы не могут зафиксировать их. На первой стадии электроны металла поглощают излучение и становятся очень горячими. Затем они передают накопленное тепло ионам, составляющим металлическую решетку. «Все эти процессы отличает непривычная физика, весьма специфическая термодинамика и теплопроводность, — говорит Иногамов. — Наша модель позволяет рассчитывать множество параметров, например, как долго электроны будут оставаться высоковозбужденными, в каком темпе они будут отдавать свою энергию в решетку, и так далее. Без понимания того, что конкретно происходит, невозможно предсказать, каким окажется масштаб повреждений».
В экспериментах на XFEL авторы новой работы облучали тонкие пленки из рутения лазером разных диапазонов: с энергией фотонов 1,5 эВ (оптический диапазон) и 92 эВ (экстремальный ультрафиолет), а также использовали ранее опубликованные результаты с энергией фотонов 7 и 12 кэВ (жесткий рентген). Затем при помощи атомно-силового, сканирующего и просвечивающего электронного микроскопов специалисты определили очертания и характеристики образовавшихся абляционных кратеров и сравнили эти данные с теми, что были получены, исходя из разработанных теоретиками моделей. «Предсказания нашей модели очень хорошо совпали с данными эксперимента. Модель позволила предсказать, при какой энергии начинается разрушение пленки, с точностью 5–10 %, — рассказывает Иногамов. — Это говорит о том, что она правильно описывает происходящие процессы. Большинство других существующих моделей позволяют сделать это с точностью лишь по порядку величины».
По итогам работы ученые смогли не только показать хорошее соответствие предсказаний модели с экспериментальными данными, но также обнаружили некий ряд общих закономерностей, свойственных процессу абляции рутениевых пленок лазерами разных диапазонов. Новая работа углубляет понимание абляционных процессов и в будущем может помочь в разработке своеобразных «библиотек» — моделей абляции для различных металлов и разных мощностей излучения. Подобные модели позволят сократить количество крайне трудоемких и дорогостоящих экспериментов по проверке каждого металла, который мог бы служить возможным покрытием для зеркал XFEL или использоваться для других процессов, в которых происходит лазерная абляция.
