Лазерный мир

Физики из России и Японии случайно научились изготовлять сверхтонкие иглы толщиной в несколько десятков атомов, экспериментируя с лазерными лучами, закрученными в бублик. «Инструкции» по их сборке были представлены в журнале Applied Physics Letters.

Nano-structuring of multi-layer material by single x-ray vortex pulse with femtosecond duration

A narrow zero-intensity spot arising from an x-ray vortex has huge potential for future applications such as nanoscopy and nanofabrication. We here present an X-ray Free Electron Laser (XFEL) experiment with a focused vortex wavefront which generated high aspect ratio nanoneedles on a Cr/Au multi-layer (ML) specimen. A sharp needle with a typical width and height of 310 and 600 nm was formed with a high occurrence rate at the center of a 7.71 keV x-ray vortex on this ML specimen, respectively. The observed width exceeds the diffraction limit, and the smallest structures ever reported using an intense-XFEL ablation were fabricated. We found that the elemental composition of the nanoneedles shows a significant difference from that of the unaffected area of Cr/Au ML. All these results are well explained by the molecular dynamics simulations, leading to the elucidation of the needle formation mechanism on an ultra-fast timescale.

https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5020318

«Свойства этих игл – 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, светящихся в присутствии определенных молекул», — рассказывает Наиль Иногамов из Института теоретической физики РАН в Москве.
Луч света, как выяснили физики примерно два десятка лет назад, может представлять собой не только структуру, похожую по форме на прямую линию, но и на спираль и даже ленту Мебиуса. Если подсветить такими лучами любую произвольную поверхность, то они будут оставлять не круглые пятна света, а своеобразные «бублики» и другие геометрические фигуры, в центре которых царит темнота.

Подобные необычные формы света сегодня интересуют ученых по той причине, что они позволяют передавать информацию в несколько раз быстрее, чем обычные «прямые» пучки фотонов, и создавать различные «притягивающие лучи» и прочие экзотические конструкции.

Российские и японские ученые нашли новое неожиданное применение подобным лучам-«бубликам», пытаясь понять, почему пучки рентгена постепенно разрушают многослойные зеркала, применяемые для их фокусировки в телескопах и приборах, позволяющих получать фотографии молекул с атомным разрешением.

Изначально Иногамов и его коллеги использовали источники «обычного» рентгена, обстреливая ими образцы зеркал, однако через некоторое время они перешли на «закрученные» пучки излучения, надеясь избежать появления своеобразных «кратеров» на отражающей поверхности.

К большому удивлению физиков, этого не произошло. На месте кратера появилась выемка в форме кольца, в центре которой возникла сверхтонкая игла из того материала, из которого было изготовлено зеркало. Ее появление озадачило ученых, и им пришлось создать компьютерную модель этого процесса для раскрытия механизма ее рождения.

Как показали эти расчеты, «закрученный» лазерный импульс длиной в триллионные доли секунды создавал область гигантского давления в той зоне, где его «бублик» касался поверхности зеркала, что особым образом влияло на поведение двух основных его компонентов – золота и хрома.

Огромные давления и температуры заставляли и тот, и другой металл расплавиться, но при этом золото нагревалось в четыре раза быстрее. По этой причине большая часть его превращалась в пар, тогда как хром оставался жидким.

«Получается что-то похожее на сильно накачанное колесо, внутри которого под эластичной покрышкой из расплава хрома находится золотой пар под огромным давлением», — добавляет Василий Жаховский, коллега Иногамова.

Этот пар, в свою очередь, толкал хромовую «покрышку» в сторону центра «бублика», где температуры оставались низкими из-за того, что энергия луча туда не попадала, и затем растягивал ее. Постепенно там возникала своеобразная игла из хрома, имевшая идеальную форму и толщину в несколько десятков атомов.

Подобный прием, как объясняет Жаховский, позволяет производить компоненты микросхем с рекордно малой толщиной – 2-4 нанометра, что пока недоступно даже для самых передовых систем изготовления микроэлектроники. Помимо этого, эти иглы уже сейчас можно использовать в качестве наноантенн и сверхчувствительных датчиков света и электрических полей, а излучатели «закрученного рентгена — для прямой «печати» микросхем.

РИА Новости https://ria.ru/science/20180531/1521813532.html