激光这把“最锋利的刀”为何会让黄金更坚固？

2024-02-23 09:00

众所周知，人们在利用激光切割金属材料时，主要是由设备释放出超强密度的激光束，该激光束通过光斑照射在金属材料上，会使金属迅速熔化、气化或达到燃点。同时，与光束同轴的高速气流将熔化或燃烧的材料迅速吹走，从而形成割缝。

但最近美国一项研究却挑战了我们以往的认知。来自美国能源部SLAC 国家加速器实验室的研究团队于近日通过实验揭示了黄金在受到来自于高能激光脉冲时，产生了一些与以往不同的特殊行为。

图片来源：Dawn Harmer／SLAC 国家加速器实验室

实验表明：部分材料（例如硅）在高能激光的激发下会迅速分解。然而，在某些特定条件下，黄金等金属在受到强激光脉冲时，其结构反而会变得更加坚固，而非熔化。

这一现象主要归因于声子行为的变化，以及金原子振动方式的调整。这与半导体材料形成了鲜明对比，因为当半导体材料在加工过程中受到强激光照射时，它们往往会变得不稳定并发生熔化。

事实上几十年来，通过模拟实验一直表明是存在这种现象的可能性，这一现象称为声子硬化。现如今，美国能源部SLAC 国家加速器实验室的研究人员使用SLAC 的直线加速器相干光源（LCLS）揭示了这种声子硬化。

他们在“极端条件下的物质”实验室中，用光学激光脉冲瞄准金薄膜，然后使用 LCLS 的超快 X 射线脉冲拍摄材料反应的原子级快照，捕获了金薄膜在极端实验条件下对光学激光脉冲响应的原子级图像。

通过细致观察微妙的变化，并精确捕捉金原子声子能量增加的瞬间，他们得以从高分辨率的视角深入探索金原子的世界，为声子硬化现象提供了具体而确凿的证据。

研究人员发现，当黄金吸收极高能量的激光脉冲时，金原子间的结合力会显著增强。这种变化导致原子振动频率加快，进而可能影响金的熔点和热反应特性。

该实验解决了有关金属超快激发长期存在的问题，也说明了强激光可以完全改变晶格的响应。同时，理论预测得到实验证实，也从侧面表明了 SLAC 的直线加速器相干光源（LCLS）在这些现象的测量上能达到惊人的程度，为材料科学研究的未来开辟了新的可能性。

当然，类似的现象也可能会发生在其他金属中，例如铜、铂和铝。往后的研究也将有可能会揭示金属应如何应对恶劣环境，这将有助于创造具有更高弹性的材料。从激光加工和材料制造的方面来说，通过原子水平去理解这两大过程或将导致技术和材料的又一轮革新。

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