バツ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13796 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

過去 1 世紀にわたって、凝縮物質の衝撃圧縮の性質を理解することが大きなテーマとなってきました。 約 20 年前、フェムト秒レーザーが新しいショックドライバーとして登場しました。 従来の衝撃波とは異なり、フェムト秒レーザー駆動の衝撃波は材料に独特の微細構造を作り出します。 したがって、この衝撃波の性質は従来の衝撃波とは異なる可能性があります。 しかし、フェムト秒レーザーによる衝撃圧縮下での格子の挙動はこれまで解明されていませんでした。 今回我々は、X線自由電子レーザー回折を用いて診断された、フェムト秒レーザーパルスの直接照射によって衝撃を受けた鉄の超高速格子挙動を報告する。 フェムト秒レーザーによる衝撃波によって引き起こされる初期圧縮状態は、従来の衝撃波によって引き起こされるものと同じであることがわかりました。 また、理論的に予測された応力波とひずみ波のピークの時間的偏差を実験的に初めて発見しました。 さらに、応力波とひずみ波のピークの間に塑性波のピークが存在することは、理論的にも予測されていなかった新たな発見である。 私たちの発見は、強度と靱性をトレードオフの関係で組み合わせた新しい材料を設計するための新たな道を開くでしょう。

衝撃波による高度に圧縮された状態は、材料の合成 1 と強化 2、高速衝撃 3、惑星形成 4、慣性閉じ込め融合 5 などのさまざまな現象を理解するために不可欠です。 機械的、光学的、電気的、磁気的特性などの材料特性は、衝撃圧縮を受けると超短時間スケールで劇的に変化します6、7。 これらの研究では、主に爆発物、プレート衝撃、高出力レーザーがショックドライバーとして使用されてきました。その主な理由は、そのようなショックドライバーは、材料中に熱力学的に定常で熱的に平衡な衝撃状態、すなわちユゴニオ状態を一時的に作り出すことができるからです8,9。

フェムト秒レーザーは、約 20 年間使用されている比較的新しい衝撃駆動ツールです10、11、12、13。 アルミニウム薄膜にフェムト秒レーザーを直接照射すると、レーザー強度に応じて 100 ～ 300 GPa の衝撃圧力が発生します (Hugoniot 状態の仮定に基づいて推定)。 金属におけるフェムト秒レーザー駆動の衝撃波は塑性変形を引き起こし、材料に高圧相がある場合には高圧相転移を引き起こし、独特の転位構造 14,15 や、観察できない鉄の高圧相 16 などの独特の痕跡を残します。従来の圧縮技術によって得られます。 さらに、金属への直接フ​​ェムト秒レーザー照射によって引き起こされる塑性変形は、従来のレーザーピーニング技術に対して、大気条件下で犠牲肉盛を行わないドライレーザーピーニング（DLP）と呼ばれる新しいレーザーピーニング技術として金属を強化するために適用されています17,18。ナノ秒パルスレーザーを使用するには、保護コーティングやプラズマ閉じ込め媒体などの犠牲オーバーレイが必要です19、20、21。

衝撃プロファイルやピーク圧力などのフェムト秒レーザー駆動衝撃波の特性は、超高速干渉法や超高速ダイナミックエリプソメトリーなどの超高速ポンプおよびプローブスキーム10、11、12、13、22を使用して実験的に診断されています。 Evans の研究 13 を除く既存の研究では、プラズマ閉じ込め方式が使用されています。つまり、ポンプ レーザーがガラス基板を通過してガラス基板上に堆積された金属薄膜を照射し、プローブ レーザーが膜の自由表面を照射します。 このスキームは衝撃波を駆動し、その特性は十分に研究されていますが10、11、12、フェムト秒レーザー照射の初期段階で金属から放出される電子やイオンが、予熱やプラズマによる衝撃の形成に影響を与える可能性があるという懸念があります。レーザー照射された金属表面はガラス基板との界面であり、放出された電子とイオンは界面に閉じ込められるため、膨張します23、24、25、26。 エヴァンスら。 らは、ポンプレーザーを金属の自由表面に照射したときの金属裏面の超高速挙動を測定し、Hugoniot 状態を想定して 100 ～ 300 GPa の衝撃圧力によって駆動されると報告しました。 ただし、フェムト秒レーザーの直接照射によって駆動される衝撃波がユゴニオ状態に適用できるかどうかは不明です。 さらに、超高速干渉法および分光技術は、ピコ秒の時間分解能でナノメートルオーダーの変位からレーザー駆動波の超高速挙動に関する情報を提供できます10、11、12、13、22。 ただし、衝撃圧縮下での弾塑性および相転移挙動を理解するために重要な格子レベルの挙動に関する直接的な情報は提供できません 27、28、29、30。