Научный форум dxdy
Задался вопросом — почему зеркало отражает свет и какой материал лучше подходит для изготовления отражательной поверхности зеркала? Ясно, что из дерева или из бетона зеркало не сделаешь. Поскольку в учебниках общей физики ответ не нашёл, рискну привести свои соображения. Мне кажется для создания зеркал лучше всего подходят металлы, хорошо проводящие электрический ток. Если фотон сталкивается с электроном проводимости, то последнему некуда подниматься на более высокие энергетические уровни (поскольку те заняты) и фотон упруго отражается от этого электрона, связанного с кристаллической решёткой, как от тела с большой массой. Кроме того металл не должен обладать желтоватым оттенком (золото и бронза отпадает). Мне кажется (однако, уверенности нет), что наличие или отсутствие этого оттенка зависит от того, насколько крепко связаны с ядром электроны предпоследней оболочки. У металлов, имеющий «серебристый» цвет эти электроны прочно связаны с ядром, и поэтому фотоны от них упруго отражаются (тоже как от тела с большой массой). Кроме того, металл не должен окисляться на воздухе и не быть дорогим (платина и т.п. отпадают). Материалов осталось немного — серебро, алюминий. Больше я не знаю. Насколько правильны мои соображения?
Re: Почему зеркало отражает свет?
03.08.2011, 00:53
| Заслуженный участник |
мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):
Поскольку в учебниках общей физики ответ не нашёл
Он слишком сложен для учебников общей физики, это курс физики твёрдого тела.
мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):
Мне кажется для создания зеркал лучше всего подходят металлы, хорошо проводящие электрический ток.
В целом да. Кроме того, под малым углом хорошо отражает любая гладкая поверхность раздела, хоть стекло, хоть уголь. И если заданы угол падения и длина волны, можно подобрать тонкую плёнку из чего угодно.
мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):
Если фотон сталкивается с электроном проводимости, то последнему некуда подниматься на более высокие энергетические уровни (поскольку те заняты) и фотон упруго отражается от этого электрона, связанного с кристаллической решёткой, как от тела с большой массой.
Нет, увы. Здесь дело не в одном электроне. В металле — целая электронная жидкость, из свободных электронов, и именно она работает как зеркало. Отдельный электрон может отразить фотон с не-100 %-ной вероятностью и в любом направлении. А электронная жидкость — строго назад (из-за интерференции отражений на многих электронах) и гарантированно (пока слой металла не слишком тонкий).
мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):
Кроме того металл не должен обладать желтоватым оттенком
Вот про разные красноватые, желтоватые, беловатые и синеватые оттенки — теория намного более сложная, и не уверен, что разработанная.
мат-ламер в сообщении #472946 писал(а):
Кроме того, металл не должен окисляться на воздухе
Стандартно для этого просто металл наносят на обратную сторону стекла. Вот как в телескопах поступают, не знаю.
Re: Почему зеркало отражает свет?
03.08.2011, 01:03
Munin в сообщении #473016 писал(а):
. металл наносят на обратную сторону стекла. Вот как в телескопах поступают не знаю
Так же. Разбирал небольшой ломаный.
Re: Почему зеркало отражает свет?
03.08.2011, 02:59
| Заслуженный участник |
Последний раз редактировалось Circiter 03.08.2011, 03:07, всего редактировалось 1 раз.
2 мат-ламер
Цитата:
Ясно, что из дерева или из бетона зеркало не сделаешь.
Хм, это в видимом диапазоне. А вот, например, для ИК-лучей матовые поверхности таки являются очень хорошими зеркалами.
Вообще, конструкция зеркала может быть весьма экзотичной. Это может быть граница раздела между различными веществами, зеркало можно сконструировать из электромагнитного поля (?) и т.д.
Кажется, неплохо все причуды с отражениями объясняются в КЭД, в т.ч. при желании выводятся законы обычной геометрической оптики. Кстати, в квантово-механическом контексте ещё более необычные зеркала возможны, cf. quantum reflection.
При этом сам принцип отражения с точки зрения электродинамики можно рассматривать как излучение вторичных волн атомами/электронами отражающего вещества; для металлов же особо важно участие свободных электронов в этом процессе (что определяет характерный блеск). В общем, видимо, отражение света можно изучать решая уравнения Максвелла. 🙂
Цитата:
Материалов осталось немного — серебро, алюминий.
Цитата:
Мне кажется для создания зеркал лучше всего подходят металлы, хорошо проводящие электрический ток.
Cf. dielectric mirror. Эти наикрутейшие диэлектрические зеркала работают примерно как и просветленная оптика, только наоборот — за счет интерференции сводят проходящую насквозь энергию к минимуму.
Цитата:
Вот как в телескопах поступают, не знаю.
Ну, в принципе, существуют зеркала с напылением на ближнюю поверхность (FS-mirrors). И, действительно, такие зеркала используют кое-где, в т.ч. и в телескопах, видимо, для уменьшения оптических искажений (точнее говоря, для подавления артефактов в виде дублей объектов; а то астрономы бы на ровном месте открывали бы двойные, двойные-двойные и т.д. 🙂 ).
Re: Почему зеркало отражает свет?
03.08.2011, 10:40
| Заблокирован |
Circiter в сообщении #473029 писал(а):
зеркало можно сконструировать из электромагнитного поля (?)
Это как, в нелинейной среде что-ли?
Re: Почему зеркало отражает свет?
03.08.2011, 12:04
Circiter в сообщении #473029 писал(а):
Хм, это в видимом диапазоне. А вот, например, для ИК-лучей матовые поверхности таки являются очень хорошими зеркалами.
Ну это же зависит от соотношения длины волны падающего э.м. излучения и размера неоднородностей (дефектов) поверхности.
Re: Почему зеркало отражает свет?
03.08.2011, 14:37
| Экс-модератор |
А как насчет многослойников? И диэлектрики и полупроводники широко используют в качестве зеркал с высоким коэффициентом отражения. Спектр отражения, конечно, не такой как у металла, но это как-то выше не оговаривалось
Re: Почему зеркало отражает свет?
03.08.2011, 15:08
| Заслуженный участник |
Gravist в сообщении #473019 писал(а):
Так же. Разбирал небольшой ломаный.
Ну, я не про любительские. Впрочем, вспомнил, в них металл наносится на внешнюю сторону стекла, или на другую подложку. Интересно, а пыль они сдувают или смывают? 🙂
Circiter в сообщении #473029 писал(а):
Ну, в принципе, существуют зеркала с напылением на ближнюю поверхность (FS-mirrors). И, действительно, такие зеркала используют кое-где, в т.ч. и в телескопах, видимо, для уменьшения оптических искажений (точнее говоря, для подавления артефактов в виде дублей объектов; а то астрономы бы на ровном месте открывали бы двойные, двойные-двойные и т.д. 🙂 ).
Ну да, разумеется.
Re: Почему зеркало отражает свет?
03.08.2011, 17:30
| Заслуженный участник |
2 Comanchero
Цитата:
Ну это же зависит от соотношения длины волны падающего э.м. излучения и размера неоднородностей (дефектов) поверхности.
Не всегда. Но, в принципе, верно, по крайней мере в этом случае — к примеру, потолок комнаты рассеивает видимый свет, но прекрасно зеркально отражает зайчик от ПДУ телевизора (ИК волны просто слишком большие и не замечают неровности потолка). Ну как-то так. 🙂
Цитата:
Это как, в нелинейной среде что-ли?
Ну, видите-ли, не зря же я там вопросительный значек в скобках впендюрил. 🙂 Понятия не имею, как такую идею можно реализовать. Это может быть, действительно, создаваемое и контролируемое ЭМ-полем зеркало в какой-нибудь активной среде. Это может быть гипотетическое зеркало использующее фотон-фотонное рассеяние. Или же более реалистичное зеркало на основе уже упомянутого эффекта квантового отражения или даже квантового аналога эффекта Зенона (кажется, возможно, ЭМ-импульсом уменьшить вероятность прохождения/поглощения кванта через зеркало, вызвав тем самым его отражение).
О, да, весьма спекулятивно.
Ссылок на подобные устройства пока найти не удалось. Зато немало информации есть по атомным зеркалам (в-принципе, лежащие в основе законы квантовой физики применимы к любым частицам, значит такие зеркала в теории могут отражать не только атомы 🙂 ). Вот, например (впрочем, боюсь, что эти материала нифига нерелевантны — понравились заголовки/абстракты, но контента не читал), V.I.Balykin et al., Quantum-State-Selective Mirror Reflection of Atoms by Laser Light, Phys.Rev.Let.; _____, Reflection of an electron beam by femtosecond light waves; R.J.Cook, An electromagnetic mirror for neutral atoms.
В общем, зачем я только ляпнул про ЭМ-зеркала. 🙂
Ладно с ними. Меня вот больше интересуют такие вопросы. Во-первых, получается, что диэлектрические зеркала наиболее эффективны из всех практически реализованных? Во-вторых, раз уж речь зашла о FS-зеркалах (напыление на лицевую сторону), то как все-таки там дела с окислением обстоят? Или оно вовсе никак не мешает, вопреки беспокойству ТС? В-третьих, товарищ Munin очень аппетитно рассказывал об отражательной роли электронного газа в металлах; надо ли в связи с этим считать возможным создание зеркал из плазмы?
Отражение света от зеркала. Почему это происходит?
Свет как мы знаем это электромагнитная волна, то есть «стадо» фотонов которые движутся в одном направлении и с одинаковой скоростью. Один луч света это траектория фотона по которой за ним эе идут остальные фотоны. Может быть несколько лучей (тогда будет несколько траекторий по которым будут двигатся фотоны) .
Теперь вопрос: Как свет отражается от зеркала? Фотон поглощается электроном в атоме молекулы зеркала а потом снова излучается? Или на самом деле возможно «отражение» так как поглощение-излучение не происходит в одно и тоже время? Текст наверху это то как я себе представляю электромагнитную волну, написал чтобы проверить правильно ил я представляю это. Если я в чем то неправ напишите пожалуйста.
Лучший ответ
Отражение от зеркала есть проявление ВОЛНОВОЙ природы света, а не корпускулярной. Если взять и тупо решить систему уравнений Максвелла для падающей электромагнитной волны и плоской проводящей поверхности, то как раз и получится зеркальное отражение вектора потока энергии.
Физически это связано с практической безынерционностью электронов проводимости в металле: они успевают колебаться «в такт» с падающей волной, это и создаёт эффект отражения.
Отражение от границы раздела двух сред тоже описывается решением системы уравнений Максвелла, хотя физика процесса там другая (никаких электронов уже нет) . Поэтому отражение от границы раздела — не полное, а частичное: часть света отражается, часть — преломляется и проходит через границу раздела. И закон преломления, так же как и закон отражения вытекает из решения уравнений Максвелла.
Остальные ответы
Не так.
фотон это квантовый объект, для которого скорость не имеет прямого физического смысла, как и траектория. В соответствии с трактовкой квантовой электродинамики, фотон движется сразу по всем возможным путям, а результат получается суперпозицией. Поскольку «экзотические» пути вносят ничтожно малый вклад при суммировании, макроскопические обыты показывают, что фотоны как бы движутся как частицы. А что это только усредненный эффект — видно из явлений интерференции, дифракции и т. д.
но про отражение — да, все верно. квант света поглощается — и переизлучается.
Каждый атом способен поглощать фотоны только определенной для него частоты. Из того, что отраженный свет от зеркала белый, следует что фотоны видимого света не поглощаются атомами зеркала, а все отражаются.
Лекция 2. Фотоны: частицы света
Это вторая лекция цикла, посвященного квантовой электродинамике, и так как очевидно, что никого из вас не было на прошлой лекции (потому что я всех предупреждал, что никто ничего не поймет), я вкратце повторю основные положения первой лекции.
Мы говорили о свете. Первое важное свойство света заключается в том, что он состоит из частиц: когда очень слабый монохроматический свет (свет одного цвета) попадает в детектор, детектор щелкает с одинаковой громкостью и все реже и реже по мере того, как свет тускнеет.
Другое важное свойство света, обсуждавшееся в первой лекции, – это частичное отражение монохроматического света. От единственной поверхности стекла отражается в среднем 4 % всех попадающих на нее фотонов. Это уже неразрешимая загадка, так как невозможно предсказать, какие фотоны отразятся, а какие пройдут насквозь. Когда появляется вторая поверхность, результаты странные: вместо ожидаемых 8 % отражения от двух поверхностей частичное отражение то усиливается до 16 %, то совсем исчезает, в зависимости от толщины стекла.
Это странное явление частичного отражения от двух поверхностей может быть объяснено для интенсивного света волновой теорией, но волновая теория не может объяснить, каким образом детектор издает одинаково громкие щелчки, когда свет тускнеет. Квантовая электродинамика «разрешает» вопрос о корпускулярно-волновом дуализме света, утверждая, что свет состоит из частиц (как считал в свое время Ньютон). Но ценой этого великого продвижения науки стало отступление физики на позицию, где признается возможным только вычисление вероятности того, что фотон попадет в детектор, и не предлагается хорошей модели того, как это в действительности происходит.
В первой лекции я рассказал, каким образом физики вычисляют вероятность того или иного события. Они рисуют на листе бумаги стрелки в соответствии со следующими правилами:
– ВЕЛИКИЙ ПРИНЦИП. Вероятность события равна квадрату длины стрелки, называемой «амплитудой вероятности». Например, стрелка длиной 0,4 соответствует вероятности 0,16, или 16 %.
– ОБЩЕЕ ПРАВИЛО рисования стрелок, если событие может произойти разными способами: нарисовать стрелку для каждого способа и затем соединить стрелки («сложить» их), цепляя голову одной за хвост другой. «Результирующая стрелка» проводится от хвоста первой стрелки к голове последней. Квадрат результирующей стрелки дает вероятность всего события в целом.
Было также несколько специальных правил для проведения стрелок в случае частичного отражения от стекла (их можно найти на с. 36–39).
Все вышесказанное представляет собой беглый обзор первой лекции.
Теперь я хотел бы показать вам, как эта модель мира, так разительно отличающаяся от всего, с чем вы встречались до сих пор (что, возможно, вы надеетесь с ней никогда больше не встретиться), может объяснить все известные вам простые свойства света: когда свет отражается от зеркала, угол падения равен углу отражения; свет отклоняется, попадая из воздуха в воду; свет распространяется по прямой; линза фокусирует свет и т. д. Теория также описывает многие другие свойства света, с которыми вы, возможно, и не знакомы. Самая большая трудность, с которой я столкнулся во время подготовки этих лекций, состояла в том, чтобы устоять перед искушением объяснить все вещи, связанные со светом, которые вы так долго изучали в школе. Например, отклонение света в область тени – то, что называется дифракцией. Но так как большинство из вас не наблюдало внимательно этих явлений, я не буду их касаться. Однако я могу гарантировать (в противном случае примеры, которые я собираюсь продемонстрировать, вводили бы вас в заблуждение), что любое явление, связанное со светом, которое было тщательно изучено, можно объяснить квантовой электродинамикой; хотя я буду описывать только простейшие и самые известные явления.
Начнем с зеркала и с вопроса о том, как от него отражается свет (см. рис. 19). В точке S имеется источник, испускающий очень слабый свет одного цвета (возьмем опять красный цвет). Источник испускает каждый раз по одному фотону. В точку Р поставим фотоумножитель, чтобы детектировать фотоны. Поставим его на той же высоте, что и источник – будет проще рисовать стрелки, если все симметрично. Мы хотим вычислить вероятность того, что детектор щелкнет после вылета фотона из источника. Так как фотон может полететь прямо в детектор, поставим экран в Q, чтобы это предотвратить.
Рис. 19. Согласно классической картине мира зеркало будет отражать свет там, где угол падения равен углу отражения, даже если источник и детектор находятся на разных уровнях, как показано в случае б. [В дальнейшем на рисунках источник изображается буквой S (от source), фотоумножитель – Р (от photomultiplier). – Примеч. пер.]
Мы могли ожидать, что весь свет, достигающий детектора, должен отражаться от середины зеркала, так как именно в этом месте угол падения равен углу отражения. И кажется довольно очевидным, что части зеркала вблизи обоих его концов имеют такое же отношение к отражению, как к цене сыра, не так ли?
Хотя вы можете думать, что части зеркала вблизи обоих концов не имеют никакого отношения к отражению света, попадающего из источника в детектор, давайте посмотрим, что может сказать по этому поводу квантовая теория. Правило: вероятность того, что данное событие произойдет, равна квадрату результирующей стрелки, которую найдем, начертив стрелки для каждого способа, которым может произойти событие, и затем соединив («сложив») их. В эксперименте по измерению частичного отражения света от двух поверхностей было два пути, которыми фотон мог попасть из источника в детектор. В этом эксперименте (отражение от одной поверхности) фотон может лететь миллионом различных путей: он может попасть в левую часть зеркала в А или в В (например) и отскочить в детектор (см. рис. 20); он может отскочить от той части, от какой он, по вашему мнению, и должен отскакивать – от G; или он может попасть в правую часть зеркала в К или М и отскочить оттуда. Вы можете подумать, что я сошел с ума, так как в большинстве названных мною случаев угол падения не равен углу отражения. Но я не сошел с ума, потому что в действительности свет распространяется именно так! Как это может быть?
Рис. 20. Согласно квантовой картине мира свет имеет одинаковую амплитуду отразиться от любой части зеркала, от А до М
Чтобы упростить проблему, предположим, что зеркало представляет собой только длинную полоску слева направо, т. е. забудем на минуту, что зеркало имеет толщину и возвышается над бумагой (см. рис. 21). Хотя в действительности на этой зеркальной полоске имеется миллион мест, откуда мог бы отразиться фотон, приближенно допустим, временно разделив зеркало на конечное число маленьких квадратиков, что есть только одна траектория для каждого квадратика. Наш расчет будет более точным (но и производить его станет труднее) по мере того, как мы будем уменьшать квадратики и рассматривать большее количество траекторий.
Рис. 21. Чтобы легче было вычислить, где проходит свет, будем временно рассматривать только полоску зеркала, разделенную на квадратики. Каждому квадратику соответствует одна траектория. Это упрощение никоим образом не уводит в сторону от точного анализа ситуации.
Теперь нарисуем стрелку для каждого способа, которым свет может распространяться в этой ситуации. Каждая стрелка имеет определенную длину и направление. Рассмотрим сначала длину. Вы можете подумать, что стрелка, которую мы проведем для траектории, проходящей через середину зеркала G, будет самой длинной (так как кажется, что очень велика вероятность того, что фотон, попадающий в детектор, летит именно так), а стрелки для траекторий, проходящих через концы зеркала, будут очень короткими. Нет-нет, мы не должны устанавливать такие произвольные правила. А настоящее правило – и то, что на самом деле происходит, – гораздо проще: фотон, попадающий в детектор, имеет почти равные шансы попасть туда любым путем, так что все стрелки будут иметь почти одинаковую длину. (В действительности имеются очень небольшие различия в длине, связанные с различием в углах и расстояниях, но они настолько незначительны, что я их просто не буду учитывать.) Так что давайте условимся, что все нарисованные нами стрелки будут иметь некую произвольную одинаковую длину – я сделаю их очень короткими, потому что у нас будет очень много этих стрелок, изображающих множество возможных траекторий света (см. рис. 22).
Рис. 22. Каждый путь, по которому может идти свет, будет представлен в наших вычислениях стрелкой произвольной стандартной длины (как показано).
Хотя можно смело предположить, что все стрелки будут иметь почти одинаковую длину, они будут направлены по-разному, так как время пути по каждой траектории различно. Как вы помните из первой лекции, направление данной стрелки определяется конечным положением стрелки воображаемых часов, измеряющих время движения фотона по данной траектории. Ясно, что фотону, который попадает сначала в левый конец зеркала, а затем в детектор, требуется больше времени, чем фотону, попадающему в детектор из середины зеркала G (см. рис. 23). Или представьте на минуту, что вы очень торопитесь, а вам надо добежать от источника до зеркала, а оттуда попасть в детектор. Вы, конечно, понимаете, что глупо будет отправиться сначала в А, и потом проделывать весь долгий путь до детектора; гораздо быстрее будет коснуться зеркала где-нибудь в середине.
Рис. 23. В то время как длина стрелок существенно не меняется, направление будет различным, потому что фотону требуется разное время для движения по разным траекториям. Ясно, что время прохождения пути S – A – P больше, чем время про-хождения пути S – G – P.
Чтобы нам легче было вычислить направление каждой стрелки, я нарисую график прямо под зеркалом (см. рис. 24). Под каждой точкой зеркала, откуда мог отразиться свет, я отмечу по вертикали, сколько времени понадобилось бы свету, если бы он двигался именно по этой траектории. Чем больше времени понадобится, тем выше будут точки на графике. Начнем слева. Сначала фотону требуется довольно много времени, чтобы пролететь по траектории, имеющей точку отражения в А, так что поставим точку довольно высоко на графике. По мере продвижения к середине зеркала фотону требуется все меньше времени, чтобы проделать свой путь, поэтому ставим каждую следующую точку ниже предыдущей. После того как мы пройдем через центр, время полета фотона по каждой следующей, последовательно взятой траектории опять начнет увеличиваться, поэтому мы будем ставить наши точки соответственно все выше и выше. Для наглядности соединим точки: они образуют симметричную изогнутую кривую, которая начинается наверху, опускается и снова поднимается наверх.
Что это значит в смысле направления стрелок? Направление каждой отдельной стрелки соответствует тому, сколько времени понадобится фотону, чтобы попасть из источника в детектор по определенной траектории. Будем рисовать стрелки, начиная слева. Движение по траектории А требует больше всего времени, ее стрелка указывает в каком-то направлении (рис. 24). Стрелка для траектории В
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Как фотоны отражаются от зеркала
Международный коллектив физиков, в который входили сотрудники Института теоретической физики (ИТФ) имени Ландау, придумал способ создавать сверхтонкие – размером в несколько десятков атомов – элементы для наноэлектроники при помощи лазерных лучей в форме бублика (вихревых пучков) из высокоэнергичных фотонов. Точности других технологий не хватает, чтобы получать подобные структуры.
Находка ученых (статья с ее описанием опубликована в журнале Applied Physics Letters) сталa неожиданным результатом исследования другой темы: физики пытались понять, как рентгеновское излучение постепенно разрушает многослойные зеркала, используемые для его фокусировки. Такие зеркала необходимы для создания аппаратуры при помощи которой можно изучать сверхмалые объекты. Кроме того, без зеркал, фокусирующих жесткое излучение, невозможно конструировать микросхемы с нанометровыми элементами.
Сегодня размер подбных элементов составляет 20 нм, и чтобы их уменьшить, необходимо использовать излучение с еще меньшей длиной волны. «Но такой свет становится очень жестким, и обычное стекло ни оклонить ни отразить такие фотоны не может, оно их поглощает. Чтобы сфокусировать луч, используют особые зеркала, изготовленные из нескольких слоев различных материалов, – объясняет Василий Жаховский, ведущий научный сотрудник ВНИИ автоматики имени Н.Л. Духова и сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау. – От обычного зеркала отражается незначительная доля жесткого излучения. В многослойном зеркале происходит усиление отражения за счет интерференции от разных слоев, и в итоге коэффициент отражения может достигать 70 %».
Однако жесткое излучение, фотоны которого несут большую энергию, неминуемо портит зеркало. Чтобы понять, какие процессы происходят с его поверхностью, исследователи «бомбардировали» зеркало из нескольких слоев хрома и золота высокоэнергетическими фотонами при помощи лазера на свободных электронах SACLA в Японии. В более ранних работах было показано, что обычный луч (его называют гауссовым, потому что интенсивность луча распределена по гауссиане), имеющий максимум яркости на центральной оси пучка, выбивает из зеркала несколько слоев хрома и золота, оставляя на месте воздействия характерный кратер – похожий на те, что оставляют упавшие на Землю метеориты. В новом исследовании физики использовали так называемый вихревой луч (vortex beam), интенсивность которого распределена по кольцу вокруг его оси – то есть яркость такого луча распределена в форме бублика. Оптические вихревые лучи известны с 1990-х годов, а вот рентгеновский вихревой луч удалось создать лишь несколько лет назад. В новой работе длина волны луча составляла несколько ангстрем, до сих пор получить столь жесткий вихревой луч не удавалось.
Когда экспериментаторы из японской части коллектива под руководством Йосики Комура облучили зеркало вихревым лучом, на поверхности вместо типичного кратера образовалась кольцевая выемка с тонкой микроиглой, возвышающейся в центре (см. рис. 1). «Это выглядело непонятным, как будто вещество из выемки собралось в центральной игле, там где интенсивность пучка была очень малой, – говорит Жаховский. – Чтобы объяснить результат эксперимента, мы рассчитали траектории всех атомов хрома и золота, которые подверглись воздействию луча – это примерно 100 млн атомов». Такое поатомное моделирование поведения системы называется методом молекулярной динамики.
Рис. 1. А. Кратер с наноиглой, оставшийся на поверхности зеркала после воздействия луча-«бублика» с интенсивностью импульса 1 микроджоуль (слева) и 0,9 микроджоуля (справа).
Б. (a) Фотография кратера, сделанная на сканирующем электронном микроскопе (увеличение 20 000 раз). (b) С использованием фильтра, пропускающего только излучение хрома. (c) С использованием фильтра, пропускающего только излучение золота.
Оказалось, что при лазерном импульсе длительностью в несколько пикосекунд (пикосекунда – одна триллионная доля секунды) в месте наибольшей интенсивности пучка – то есть по кольцу – резко растут температура и давление. «Давление достигает в пике 200 тысяч атмосфер – такие условия характерны для детонации небольшой атомной бомбы. Это колоссальное давление возникает на несколько пикосекунд в очень маленьком пространстве кольца диаметром всего 2 микрометра, – рассказывает Жаховский. – В таких экстремальных условиях вещество зеркала плавится и стремится расшириться. Однако слои разных металлов по-разному участвуют в этом процессе – потому что золото и хром нагреваются неодинаково. Так как золото поглощает в 4 раза больше рентгеновских фотонов, оно полностью превращается в пар, а хром остается в жидком состоянии. В итоге температура хрома значительно меньше, и его слои сохраняются в виде гибких пленок. Получается что-то похожее на сильно накачанное колесо, внутри которого под эластичной покрышкой из расплава хрома находится золотой пар под огромным давлением».
При этом в центре пятна воздействия, где интенсивность луча близка к нулю, остается холодный остров. Пузырь из хромовой пленки в виде колеса прикреплен к нему, и пленка стягивается к оси над островом в процессе расширения пузыря. В результате над островом образуется тонкая струя из чистого хрома. Так как слой прогрева небольшой, вся система быстро остывает, и струя затвердевает. В результате формируется микроигла. Если увеличить интенсивность импульса, хромовые пленки также превратятся в пар и улетят, и центральная игла будет состоять только из золота, поднявшегося из более глубоких слоев (см. рис. 2).
Рис. 2. Механизм образования наноиглы, смоделированный методом молекулярной динамики. Верхний ряд – при интенсивности импульса 1 микроджоуль, нижний ряд – 2 микроджоуля. Желтым цветом на левой половине изображений показано золото, синим – хром. На правой половине красный цвет обозначает жидкое состояние, зеленый – твердое. Видно, что при бОльшей интенсивности воздействия верхние слои хрома в наноигле испаряются, и она оказывается составлена только из золота. применьшей интенсивности игла получается «слоеной».
Таким образом, ученые не только объяснили, почему при воздействии вихревого луча лазера на зеркале образуются мироиглы, а не кратеры. Новая работа показала, что, используя лазер с необычным профилем луча и многослойные подложки, можно получать весьма сложные архитектурные наноэлементы на поверхности. «Гауссов луч просто создает на поверхности кратер, с его помощью невозможно получать наноэлементы заданных форм. Теоретически, можно вращать зеркало, используя гауссов луч как перо, но на практике достичь нужной толщины пера и точности вращения невозможно. А профилированные лучи могут работать как типографские оттиски: они сразу штампуют элементы соответствующей формы», – поясняет Жаховский. Описанная учеными технология позволяет производить микросхемы с элементами толщиной 2-4 нм, то есть в несколько атомов. Кроме того, регулируя параметры лазерного воздействия, можно получать элементы различного химического состава.
Как объясняет исследователь, вычислительный метод молекулярной динамики можно применять для моделирования любых мишеней, чтобы смотреть, какие структуры будут получаться при воздействии лучей различной геометрии. Такой подход позволит экономить огромные средства, которые потребовались бы для проведения экспериментов на ускорителях. «Более того, сам по себе результат эксперимента мало что говорит нам о физических процессах вызванных экстремальными условиями в веществе после лучевого воздействия. А для того чтобы создавать элементы заданных форм и химического состава, необходимо понимать эти процессы детально».
Полученные в эксперименте на SACLA иглы можно использовать уже сегодня: они работают как наноантенны и сверхчувствительные сенсоры. Если расположить недалеко друг от друга много подобных элементов и воздействовать на них слабым оптическим лучом, на иглах многократно усиливаются электрические поля. В результате возникают электронные волны – поверхностные плазмоны. Они реагируют на появление поблизости даже отдельных молекул. Другими методами достичь такой чувствительности пока невозможно.
«Подобные макроскопические «поля» элементов, размер каждого из которых сравним с длиной волны падающего на них излучения, называют метаповерхностями, – поясняет еще один соавтор работы, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник сектора плазмы и лазеров ИТФ имени Л.Д. Ландау Наиль Иногамов. – Их свойства – коэффициент отражения, трение, прочность каталитические характеристики – кардинально отличаются от гладкой поверхности. Это позволяет создавать уникальные приборы. Например, метаповерхности с «неправильным» коэффициентом отражения могут служить основой наносенсоров, фотолюминесцирующих в присутствии каких-то молекул или воздействий».
Работа была выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) №14-19-01599.
Договориться об интервью с учеными, комментариях и запросить дополнительную информацию, в том числе полный текст статьи и видео, на котором показано, как формируется наноигла, можно по адресу: press@itp.ac.ru
- © ИТФ им. Л.Д. Ландау, 2009–2024
- Контактная информация