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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13796(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

지난 세기 동안 응축 물질의 충격 압축 특성을 이해하는 것이 주요 주제였습니다. 약 20년 전, 펨토초 레이저가 새로운 충격 드라이버로 등장했습니다. 기존 충격파와 달리 펨토초 레이저 구동 충격파는 재료에 고유한 미세 구조를 생성합니다. 따라서 이 충격파의 특성은 기존 충격파의 특성과 다를 수 있습니다. 그러나 펨토초 레이저 구동 충격 압축 하의 격자 거동은 아직 밝혀지지 않았습니다. 여기서 우리는 X선 자유 전자 레이저 회절을 사용하여 진단한 펨토초 레이저 펄스의 직접 조사에 의해 충격을 받은 철의 초고속 격자 거동을 보고합니다. 우리는 펨토초 레이저 구동 충격파로 인한 초기 압축 상태가 기존 충격파로 인한 것과 동일하다는 것을 발견했습니다. 우리는 또한 처음으로 이론적으로 예측된 ​​응력 및 변형파 피크의 시간적 편차를 실험적으로 발견했습니다. 더욱이 응력파와 변형파 피크 사이에 소성파 피크가 존재한다는 것은 이론적으로도 예측하지 못한 새로운 발견이다. 우리의 연구 결과는 균형 관계에서 강도와 인성을 결합한 새로운 재료를 설계하기 위한 새로운 길을 열어줄 것입니다.

충격파를 통한 고도로 압축된 상태는 재료 합성1 및 강화2, 고속 충격3, 행성 형성4 및 관성 구속 융합5과 같은 다양한 현상을 이해하는 데 필수적이었습니다. 기계적, 광학적, 전기적, 자기적 특성과 같은 재료 특성은 충격 압축을 받을 때 매우 짧은 시간 단위로 급격하게 변합니다6,7. 이러한 연구에서는 폭발물, 판 충격 및 고출력 레이저를 충격 드라이버로 주로 사용했는데, 이는 이러한 충격 드라이버가 일시적으로 열역학적으로 안정되고 열 평형 충격 상태, 즉 재료에 Hugoniot 상태8,9를 생성할 수 있기 때문입니다.

펨토초 레이저는 약 20년 동안 사용되어 온 비교적 새로운 충격 구동 도구입니다10,11,12,13. 얇은 알루미늄 필름에 펨토초 레이저를 직접 조사하면 레이저 강도에 따라 100~300GPa의 충격 압력이 발생하며 이는 Hugoniot 상태를 가정하여 추정됩니다. 금속의 펨토초 레이저 구동 충격파는 소성 변형을 일으키고, 재료가 고압 위상을 갖는 경우 고압 위상 전이가 발생하여 독특한 전위 구조14,15 및 철의 고압 위상16과 같은 고유한 흔적을 남깁니다. 기존의 압축 기술로 얻은 것입니다. 또한 금속에 직접 펨토초 레이저를 조사하여 발생하는 소성 변형을 적용하여 대기 조건에서 희생적인 오버레이가 없는 새로운 레이저 피닝 기술인 건식 레이저 피닝(DLP)17,18로 금속을 강화합니다. 나노초 펄스 레이저를 사용하려면 보호 코팅 및 플라즈마 감금 매체19,20,21와 같은 희생 오버레이가 필요합니다.

충격 프로파일 및 최대 압력과 같은 펨토초 레이저 구동 충격파의 특성은 초고속 간섭계 및 초고속 동적 엘립소메트리와 같은 초고속 펌프 및 프로브 방식10,11,12,13,22을 사용하여 실험적으로 진단되었습니다. Evans의 연구13를 제외한 기존 연구에서는 플라즈마 감금 방식을 사용했습니다. 즉, 펌프 레이저는 유리 기판을 통과하여 유리 기판에 증착된 금속 박막을 조사하고, 프로브 레이저는 필름의 자유 표면을 조사합니다. 이 방식은 충격파를 유도하고 그 특성이 철저히 연구되었지만 펨토초 레이저 조사 초기 단계에서 금속에서 방출된 전자와 이온이 예열이나 플라즈마로 인해 충격 형성에 영향을 미칠 수 있다는 우려가 있습니다. 레이저 조사된 금속 표면은 유리 기판과의 경계면이고 방출된 전자와 이온은 경계면에 갇혀 있기 때문에 팽창합니다. Evanset al. 금속의 자유 표면에 펌프 레이저를 조사했을 때 금속 뒷면의 초고속 거동을 측정하고 Hugoniot 상태를 가정하여 100~300GPa의 충격 압력에 의해 구동되는 것으로 보고했습니다. 그러나 직접 펨토초 레이저 조사에 의해 구동되는 충격파가 휴고니오 상태에서 적용 가능한지는 불분명합니다. 또한, 초고속 간섭계 및 분광학 기술은 피코초 시간 해상도10,11,12,13,22를 사용하여 나노미터 순서 변위에서 레이저 구동 파동의 초고속 동작에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 그러나 충격 압축 시 탄소성 및 상전이 동작을 이해하는 데 중요한 격자 수준 동작에 대한 직접적인 정보를 제공할 수 없습니다.