2013: Эффективное лазерно-плазменное возбуждение фононов с терагерцовыми частотами в объёме прозрачного диэлектрика

Ученые физического факультета МГУ обнаружили новый механизм квазирезонасного возбуждения когерентных терагерцовых фононов в объёме диэлектрической среды при экстремально большом объемном энерговкладе до 100 кДж/см³.

Круг явлений, происходящих при взаимодействии фемтосекундного остросфокусированного лазерного излучения с диэлектриками, достаточно широк: начиная от многофотонной и туннельной ионизации, нагрева электронов плазмы в поле лазерной волны, ударной ионизации и возбуждения когерентных фононов и заканчивая распространением ударных волн и формированием остаточных микромодификаций. Исследованию процессов возбуждения и релаксации когерентных фононов следует уделить особое внимание. Они не только дают представление о колебательных свойствах веществ, но и могут быть использованы для контроля молекулярных и коллективных движений, получения особых неравновесных состояний и облегчения химических или структурных изменений, которые могут не реализовываться при обычных условиях.

В своей работе исследователи физфака МГУ, работающие на кафедре общей физики и волновых процессов, основное внимание уделили исследованию следующих процессов переноса энергии: лазерное излучение – плазма (за счет ионизации и нагрева электронов плазмы на временах длительности лазерного импульса), лазерное излучение – фононы (на временах длительности лазерного импульса) и плазма – фононы (на временах термализации электронной плазмы). Главной особенностью проводимых в работе экспериментов является исследование возбуждения когерентных фононов в объеме кристаллической среды при экстремальной для твердого тела интенсивности фемтосекундного лазерного излучения превышающей 10¹³ Вт/см², превышающей порог формирования плазмы в среде. В этом случае к процессу возбуждения когерентных фононов посредством вынужденного внутриимпульсного комбинационного рассеяния добавляются еще эффективные процессы переноса лазерной энергии в кристаллическую решетку через электроны плазмы. Лазерно-индуцированная плазма способствует эффективному локальному нагреву среды, что может приводить к сильному изменению частоты мягких комбинационно активных мод в кристаллах вблизи фазовых переходов, ангармонизму колебаний.

Каков же механизм возбуждения и релаксации когерентных фононов в экстремальных условиях формирования лазерно-индуцированной плазмы? Было установлено, что современные теории генерации когерентных фононов (нестационарное вынужденное комбинационное рассеяние и механизм смещения) не могут даже в общих чертах описать ключевые результаты проведенных экспериментов: сильное изменение частоты фононов, временная задержка максимальной амплитуды фононных мод. Оказывается, что сначала за счет вынужденного комбинационного рассеяния формируются «затравочные» когерентные фононы с терагерцовыми частотами, а плазма поглощает значительную часть энергии лазерного импульса. Энергия плазмы затем квази-резонансно передаётся от электронов плазмы в появившиеся «затравочные» когерентные фононы. Квази-резонансный характер преобразования энергии становится возможным из-за больших амплитудных колебаний когерентных фононов, что приводит к синхронной модуляции ширины запрещенной зоны диэлектрика. Такая эффективная передача энергии от электронов плазмы когерентным фононам происходит в фазе с колебаниями когерентных фононов в момент, когда ширина запрещенной зоны становится минимальной. Предложенный механизм генерации когерентных фононов полностью объясняет наблюдаемые явления.

Результаты этой работы опубликованы в журнале Laser Physics Letters 10, p.076003, (2013). 

Для выполнения работ был использован уникальный комплекс оборудования, закупленный по программе развития МГУ.