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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13796 (2023) Citare questo articolo

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Nel secolo scorso, la comprensione della natura della compressione da shock della materia condensata è stato un argomento importante. Circa 20 anni fa, il laser a femtosecondi emerse come nuovo driver d’urto. A differenza delle onde d’urto convenzionali, un’onda d’urto guidata dal laser a femtosecondi crea microstrutture uniche nei materiali. Pertanto, le proprietà di questa onda d'urto possono essere diverse da quelle delle onde d'urto convenzionali. Tuttavia, il comportamento del reticolo sotto la compressione degli urti guidata dal laser a femtosecondi non è mai stato chiarito. Qui riportiamo il comportamento reticolare ultraveloce nel ferro colpito dall'irradiazione diretta di un impulso laser a femtosecondi, diagnosticato utilizzando la diffrazione laser a elettroni liberi di raggi X. Abbiamo scoperto che lo stato di compressione iniziale causato dall’onda d’urto guidata dal laser a femtosecondi è lo stesso causato dalle onde d’urto convenzionali. Abbiamo anche riscontrato, per la prima volta sperimentalmente, la deviazione temporale dei picchi di stress e delle onde di deformazione previsti teoricamente. Inoltre, l’esistenza di un picco d’onda plastica tra i picchi delle onde di stress e di deformazione è una nuova scoperta che non era stata prevista nemmeno teoricamente. Le nostre scoperte apriranno nuove strade per la progettazione di nuovi materiali che uniscano forza e tenacità in un rapporto di compromesso.

Gli stati altamente compressi tramite onde d’urto sono stati essenziali per comprendere vari fenomeni come la sintesi dei materiali1 e il rafforzamento2, gli impatti ad alta velocità3, la formazione dei pianeti4 e la fusione con confinamento inerziale5. Le proprietà dei materiali, come quelle meccaniche, ottiche, elettriche e magnetiche, cambiano drasticamente in un arco di tempo ultrabreve se sottoposti a compressione da shock6,7. Questi studi hanno utilizzato principalmente esplosivi, impatti con piastre e laser ad alta potenza come shock driver, principalmente perché tali shock driver possono creare transitoriamente uno stato di shock termodinamicamente stabile e termicamente equilibrato, cioè lo stato di Hugoniot8,9 nel materiale.

Il laser a femtosecondi è uno strumento relativamente nuovo basato sull'urto, in uso da circa 20 anni10,11,12,13. L'irradiazione laser diretta a femtosecondi di una sottile pellicola di alluminio produce una pressione d'urto compresa tra 100 e 300 GPa, a seconda dell'intensità del laser, stimata sotto l'ipotesi dello stato di Hugoniot13. L'onda d'urto guidata dal laser a femtosecondi nel metallo provoca la deformazione plastica e, se il materiale ha fasi ad alta pressione, transizione di fase ad alta pressione, lasciando tracce uniche come strutture di dislocazione uniche14,15 e la fase ad alta pressione del ferro16 che non può essere ottenuto con tecniche di compressione convenzionali. Inoltre, la deformazione plastica indotta dall'irradiazione laser diretta ai femtosecondi dei metalli è stata applicata per rinforzare i metalli come una nuova tecnica di pallinatura laser senza alcuna sovrapposizione sacrificale in condizioni atmosferiche, chiamata pallinatura laser a secco (DLP)17,18, mentre le tecniche di pallinatura laser convenzionali l'utilizzo di laser pulsati a nanosecondi richiede sovrapposizioni sacrificali come rivestimenti protettivi e mezzi di confinamento del plasma19,20,21.

Le caratteristiche dell'onda d'urto guidata dal laser a femtosecondi, come il profilo dell'urto e la pressione di picco, sono state diagnosticate sperimentalmente utilizzando schemi di pompa e sonda ultraveloci10,11,12,13,22 come l'interferometria ultraveloce e l'ellissometria dinamica ultraveloce. Gli studi esistenti, ad eccezione dello studio di Evans13, hanno utilizzato uno schema di confinamento del plasma, ovvero il laser della pompa passa attraverso il substrato di vetro e irradia la sottile pellicola metallica depositata sul substrato di vetro, e il laser della sonda irradia la superficie libera della pellicola. Sebbene questo schema guidi un'onda d'urto e le sue caratteristiche siano state studiate approfonditamente10,11,12, vi è il timore che gli elettroni e gli ioni espulsi dal metallo durante la fase iniziale dell'irradiazione laser a femtosecondi possano influenzare la formazione dell'urto a causa del preriscaldamento o del plasma espansione perché la superficie metallica irradiata dal laser costituisce l'interfaccia con il substrato di vetro e gli elettroni e gli ioni espulsi sono confinati nell'interfaccia23,24,25,26. Evans et al. hanno misurato il comportamento ultraveloce della parte posteriore del metallo quando il laser della pompa è stato irradiato sulla superficie libera del metallo e hanno riferito che era guidato da una pressione d'urto compresa tra 100 e 300 GPa assumendo lo stato di Hugoniot13. Tuttavia, non è chiaro se l’onda d’urto guidata dall’irradiazione laser diretta a femtosecondi sia applicabile allo stato di Hugoniot. Inoltre, le tecniche interferometriche e spettroscopiche ultraveloci possono fornire informazioni sul comportamento ultraveloce delle onde guidate dal laser da spostamenti di ordine nanometrico con risoluzione temporale di picosecondi10,11,12,13,22. Tuttavia, non possono fornire informazioni dirette sul comportamento a livello del reticolo, che è fondamentale per comprendere il comportamento elasto-plastico e di transizione di fase sotto compressione da shock27,28,29,30.