Ученые современности, как и сто или триста лет назад, находятся в постоянном поиске чего-то нового. Каждый раз, когда открывается новое свойство какого-либо вещества, явления или процесса, великие умы ищут этому практическое применение. Сегодняшнее исследование не исключение. С каждым днем объем данных в мире неустанно растет. Потому разработка новых способов хранить информацию находится сейчас на волне популярности, как и квантовые компьютеры, устройства на базе микроорганизмов и т.д. В качестве основы возможных носителей будущего могут быть самые разные вещи, от скирмионов до фотонов. Сегодня мы рассмотрим исследование столь знакомого нам физического процесса как теплообмен, но под новым углом. Ультрабыстрый теплообмен в нанометровых многослойных металлических структурах может послужить основой новой технологии, говорят ученые. Почему именно этот процесс вызвал у них столь большой интерес, и действительно ли их громогласное утверждение можно считать пророческим? Понять это нам поможет доклад ученых, в котором мы сейчас и покопаемся. Поехали.

Основа исследования

Ультрабыстрые нагрев и охлаждение тонких пленок металла являются основополагающими аспектами изучения взаимодействия фотонов и электронов, а также теплообмена при наноразмерном масштабе.

Интерес к температуре и ее изменениям в оптически индуцированном фемтосекундном размагничивании был велик и раньше, ввиду оглядки на многоимпульсное переключение. Также внимание ученых привлекают и потоки энергии в многослойных металлах, которые возникают из-за оптического возбуждения, поскольку играют важную роль в процессе магнитной записи, использующей изменения температуры, и в полностью оптическом магнитном переключении.

Однако в изучении подобных явлений в столь малых образцах всегда были сложности. Дабы лучше понять суть потоков тепловой энергии, необходимо получить доступ к температуре самой молекулярной решетки, что играет самую важную роль в теплоемкости.

Ученые поняли, что для проведения подобных сложных измерений отлично подходит ультрабыстрая рентгеновская дифракция (UXRD) при специфических для образца углах Брэгга*.

Дифракция Брэгга* — явление сильного рассеяния волн при определенных углах падения и определенной длине волны.

Этот метод позволяет провести измерения мультислойной структуры, даже если слои расположены под непрозрачным покрывающим слоем или их толщина меньше, чем толщина поверхностного слоя. Также есть возможность с высокой точностью измерить изменения решетки каждого слоя, что позволяет определить объем выделенного тепла в слоях металлов.

Метод UXRD уже использовался ранее, однако обладал определенными ограничениями. Во-первых, временное разрешение составляло примерно 100 пс, что позволяло изучить теплообмен на протяжении непродолжительного времени и на расстоянии меньше 100 нм. В данном же исследовании удалось достичь измерений на расстоянии примерно 5 нм.

Образец

В качестве испытуемого образца использовался двухслойный образец Au/Ni, в котором толщина Au (золото) составляла 5.6 нм. а Ni (никель) — 12.4 нм. В качестве подложки выступил MgO (оксид магния), поскольку его коэффициент отражения равен 1, то есть MgO это абсолютный отражатель.

Наблюдения за динамикой решеток слоев Au и Ni показали, что спустя всего 2 пс решетка Ni расширяется. В то же время решетка Au остается холодной, даже если большая часть света была поглощена электронной подсистемой этого слоя. Нагревается решетка Au довольно медленно, достигая максимальной температуры спустя около 80 пс после оптического воздействия.

Процесс релаксации* двухслойной структуры на 2 порядка медленнее 1 пикосекунды, что расходится с предшествующими расчетами, и медленнее стандартного времени для достижения электрон-фононного равновесия (?⁰_Au = 1–5 пс).

Релаксация* — процесс установления термодинамического равновесия в системе.

Одним из основных факторов достижения термодинамического равновесия является термическое равновесие. Что это такое показано на видео (немного коряво, но зато просто и точно).

Для ученых подобный результат был неожиданностью. Они поясняют это тем, что неуравновешенное состояние между электронами и решеткой Au дольше сохраняется в двухслойной структуре, чем если бы Au составлял единый слой системы. Понять это помогли исследования двухслойной системы Au–Pt.

Подготовка эксперимента и результаты

Для возбуждения электронной системы Au (верхний слой) и Ni использовался фемтосекундный лазер с длиной волны 400 и 800 нм.


Изображение №1: структура слоев образца

Стоит отметить, что при лазерном импульсе с длинной волны 400 нм, степень поглощения у слоев Au и Ni примерно одинакова, тогда как при 800 нм — слой Au практически не поглощал свет. Связано такое сильное отличие с тем, что при 400 нм у слоя Au значительно выше показатель преломления. При длине волны в 800 нм в слое Au (толщина 5.6 нм) пагубная интерференция отраженного света снижает степень поглощения.


Изображение №2: экспериментальные данные

Изображение 2а демонстрирует рентгенограмму образца, которая подтверждает кристаллическую ориентацию нанослоев Au и Ni. Цветные линии показывают переходные сдвиги пиков Брэгга в выбранные моменты времени: 2b — для Au и 2с — для Ni. Белая пунктирная линия это разрыв оси от линейной до логарифмической временной шкалы.


Изображение №3: термодинамика слоев (Ni, Au) и подложки (MgO)

Теперь стоит подробнее рассмотреть процесс теплообмена в экспериментальном образце. Как уже ранее упоминалось, изначально расширяется именно Ni, в то время как слой Au сжимается ввиду именно расширения слоя Ni. Спустя 3 пс слой Au начинает активно расширяться, когда волна сжатия преобразуется в волну расширения ввиду отражения на поверхности. В это же время наблюдается и незначительные колебания деформационной волны в слое Ni.

После временной отметки в 80 пс, что довольно долго, Au достигает максимального расширения путем передачи тепла от слоя Ni, когда температуры двух слоев примерно выравниваются. Далее, на отметке 100 пс, начинается процесс охлаждения, когда тепло переходит уже на подложку из оксида магния.

Также удалось определить, что спустя 20 пс с начала процесса объем тепловой энергии, передаваемый от Ni к Au, равен объему энергии передаваемому в подложку.

Уже спустя 150 пс половина тепловой энергии двухслойной пленки переходит в подложку. Однако ученым все еще не понятно, почему ультратонкий слой Au не нагревается намного быстрее за счет электронного теплообмена, что вполне обычно для металлов. А «утечка» теплоты в подложку не дает исчерпывающих объяснений.

Взяв за основу недавние исследования коэффициента отражения теплового излучения, ученые создали усовершенствованную двухтемпературную модель, которая поможет пояснить медленный нагрев Au (изображение 3а).


Двухтемпературная модель

А теперь по порядку. Электронные системы Ni и Au весьма быстро достигают состояния равновесия ввиду высокой электропроводности. Подтверждением быстрого уравновешивания является тот факт, что в первые 2 пс слой Au находится одинаково сжат и при 400 нм, и при 800 нм. Если бы было иначе, то высокое электронное давление в Au после воздействия луча 400 нм привело бы к сжатию, вызванному расширением Ni.

Еще одним доказательством равновесия является следующее утверждение исследователей: если бы электроны не достигли равновесия быстрее чем за 1 пс и не удалили тем самым тепло из электронной системы Au, то не наблюдалось бы такого сильного сжатия Au, поскольку электронное давление сразу же привело бы к расширению Au.

Касательно константы электрон-фотонного взаимодействия — в слое Ni она гораздо больше, чем в Au. Практически вся фотонная энергия, полученная электронной системой, направляется в решетку Ni. И это несмотря на то, что при 400 нм примерно 1/3 поглощенной энергии изначально внедрялась в электронную систему Au.


Изображение №4: сравнение модели с экспериментальными данными

На графике 4а показана деформация (пунктирные линии), рассчитанная по среднему нагреву слоев. Данные расчеты соответствуют модели, показанной на изображении 1b. А вот сплошные линии это симуляции, которые основаны на модели, описанной выше.

4b это цветовая репрезентация деформации в зависимости от глубины образца и времени, построенная с учетом наличия в слоях пространственно однородного переходного теплового напряжения. Данный график соответствует пунктирным линиям на графике 4а.

В докладе ученых более описаны детали их исследования, а также методы расчетов, потому настоятельно рекомендую с ним ознакомиться.

Эпилог

Данное исследование дало возможность изучить теплообменные процессы в мультислойной структуре на нанометровом уровне, что открывает в дальнейшем возможность более детально характеризовать определенные свойства сложных систем сплавов и комбинаций металлов.

Электроны Au и Ni показали способность крайне быстро входить в состояние равновесия, что подтверждается тем, что при воздействии луча 400 нм и 800 нм изначально нагрев возникает только в Ni, в независимости от поглощенной слоем Au энергии.

При 400 нм был обнаружен процесс передачи тепловой энергии между слоями (от одного слоя другому и обратно). Сначала электроны быстро передают энергию из Au в Ni, потому часть теплоты передается обратно от фотонов Ni к фотонам Au. В конце концов, теплота проходит через Ni в подложку из оксида магния.

Ввиду слабой электрон-фотонной связи в Au, энергия, переносимая из фотонов Ni через электроны Ni и Au в решетку Au, сильно подавляется. Данное исследование однозначно будет иметь сильный эффект на будущее изучение сверхдиффузионного электронного обмена и оптического размагничивания/перемагничивания.

Подобные работы могут и станут важным элементом совершенствования определенных аспектов будущих технологий. Это лишь первые шаги, однако потенциал очевиден. Если не относится скептически к подобным исследованиям и желать понять то, что другие считают неважным, прогресс будет продвигаться гораздо быстрее и эффективнее.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

3 месяца бесплатно при оплате новых Dell R630 на срок от полугода — 2 х Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128GB DDR4 / 4х1TB HDD или 2х240GB SSD / 1Gbps 10 TB — от $99,33 месяц, только до конца августа, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?