Как расщепляют мгновение

Ну и в качестве иллюстрации того, как работает этот метод накачки и зондирования, я расскажу про еще одну работу, которая тоже была выполнена не так давно, в которой люди впервые увидели фононы (подробнее об этой работе см.: Атомное кино). Это, конечно, когерентные фононы, не однократные, не одиночные, но всё равно фононы, то есть колебания кристаллической решетки, прямо воочию, в реальном времени.

Сначала пару слов про типичные времена. Если вы возьмете типичную скорость движения атомов, поделите на типичные межатомные расстояния в кристалле, вы получите времена порядка долей пикосекунд. Реально в кристаллах у нас атомы движутся не по одиночке, а синхронно. Скажем, фонон — это синхронные колебания сразу большой группы атомов. Если вы возьмете типичное число этих атомов в длине волны — n, — скажем, десятки, сотни, тысячи, то у вас как раз получится период колебаний этих фононов в пикосекундном диапазоне.

Как с помощью этой методики накачки и зондирования можно увидеть такие фононы? Делается это таким образом: посылаются на исследуемый образец два импульса, которые четко скоррелированы по времени. Это импульсы из разных диапазонов электромагнитного излучения. Сначала посылается очень короткий и мощный инфракрасный импульс, который буквально наносит точечный удар по поверхности кристалла, и он генерирует в данном месте и в данное время поток фононов, которые уходят вглубь кристалла, то есть колебания решетки около поверхности. И в тот же момент или с определенной конкретной сдвижкой по времени присылается туда слабый диагностический рентгеновский импульс. Рентгеновский импульс подбирается с такой длиной волны, чтобы он эффективно отражался от поверхности. Дело в том, что (вы представляете, да?) кристалл имеет межатомное расстояние порядка нескольких ангстрем. И поэтому, если подобрать рентгеновский импульс с длиной волны тоже порядка нескольких ангстрем, у вас эффективно начинается дифракция. То есть кристалл выступает в виде дифракционной решетки для рентгеновского света. Этот рентгеновский лучик можно отразить и дальше с помощью него можно смотреть на колебания кристаллической решетки, потому что эти колебания действительно отражаются в поведении рентгеновского импульса.

Вот просто типичная картинка. Если взять длину волны порядка нескольких ангстрем, получится дифракция света на кристаллической решетке. Самый простейший случай — это просто отражение получается от кристаллических плоскостей. За этим отраженным пучком рентгеновского света можно наблюдать, можно измерять его интенсивность, в том числе при разных углах, и смотреть на колебания. Это, кстати, только один из примеров довольно широкого класса акустооптических явлений — явлений, в которых оптика связана с акустикой, то есть со звуковыми движениями или с колебаниями атомов.

И вот тоже результат из экспериментальной работы. Смотрите: здесь на картинке (это пикосекунды по времени... это просто интенсивность) показан профиль рентгеновского импульса. Штриховой линией показан профиль, когда у нас не было удара по кристаллу, просто прилетел импульс, отразился и задетектировался. А сплошной линией показано то, что происходит, когда у нас нанесен удар по кристаллу в момент времени ноль. Вот видно, что здесь есть колебания интенсивности. И особенно красивым это всё становится, когда мы отнормируем ее на невозмущенный случай, то есть поделим сплошную кривую на штрихованную кривую. И тогда у нас получается такая отнормированная интенсивность, сначала она была единичка, то есть стандартный случай, потом вдруг она упала и начала колебаться.

Видите, по этим данным на самом деле можно много что рассказать про поведение кристалла. Во-первых, можно определить период колебания. В данном конкретном случае он оказался порядка 15 пикосекунд. Это, кстати, вполне согласуется с расчетами, если взять, например, скорость звука в кристалле и промерить расстояние, всё это пересчитать на времена. Кроме того, видно, что эти колебания затухают. Это естественно, потому что у нас начинаются убегания этих волн в толщу. Поэтому тот поверхностный слой, который мы видим реально в рентгеновском импульсе... в нём колебания постепенно затухают. Времена затухания оказались порядка 100 пикосекунд, что тоже, в принципе, согласовывалось с теоретическими расчетами.

На самом деле, это не всё. Потому что дальше можно экспериментировать с этим делом — скажем, можно менять интенсивность удара по кристаллу и смотреть, что происходит с веществом. И вот оказалось, что там происходит интересная вещь: если превысить некий порог по яркости инфракрасного импульса, то у вас начинается локальное плавление кристалла, то есть кристалл просто в этом месте полностью начинает разрушаться и теряет свою кристаллическую решетку.

Картинку здесь не показываю, просто рассказываю, что там наблюдалось. Когда люди просканировали этот диапазон по мощности, оказывается, что это плавление начинается вовсе не поатомно, а через раскачивание этих очень высокоамплитудных колебаний фононов, то есть есть некий предел колебаний, который еще кристалл держит, а если превысить этот предел, то он начинает просто плавиться и кристаллическая структура начинает разрушаться. То есть таким образом мы действительно изучаем кинетику фазовых переходов, по крайней мере локально.

В пикосекундном диапазоне, на самом деле, есть много интересных работ, и они используют универсальность лазерных импульсов. Я сейчас скажу просто, что лазерный импульс — это не просто когерентный свет, у лазера есть еще определенная поляризация. Эту поляризацию тоже можно детектировать, и она может рассказать вам многое об электромагнитных процессах, которые происходят в веществе.

Вот, скажем, такой есть эффект, называется «магнитооптический эффект Керра». Заключается он в следующем. Если у вас есть какая-то пластиночка из ферромагнитного материала, то емть намагниченная пластиночка, и от нее отражается лазерный лучик с определенной поляризацией, то плоскость поляризации чуть-чуть вращается. И это вращение зависит от всех углов, то есть от угла падения луча, от угла поляризации его и от угла, от направления вектора намагниченности вот этой пленочки. Так вот. Это значит, что если мы теперь будем измерять в этом в стандартной схеме накачки и зондирования поляризацию полученного излучения, то мы сможем выяснить, как у нас меняется — просто в реальном времени, — как у нас там дрожит вот этот вектор намагниченности.

Такие эксперименты тоже проводились буквально несколько лет назад. И вот результат из одной из работ. Здесь люди проэкспериментировали с разнообразными поляризациями и разнообразными углами падения луча и смогли просто в трехмерном пространстве восстановить динамику вектора намагниченности. То есть оказывается, что когда по нему ударяют с помощью инфракрасного импульса, он начинает как-то дрожать, иногда уменьшаться, сжиматься, переворачиваться, прецессировать. И вот это всё действительно прекрасно видно с помощью этой техники. Ну вот, скажем: здесь, конечно, нарисованы какие-то загогулины, ничего не понятно, но реально это три разных проекции, три разных взгляда на динамику вектора намагниченности в пленочке. И изучая их, физики смогли восстановить последовательно этапы того, что там происходит. Оказалось, что буквально за долю первой пикосекунды у вас происходит сначала нагрев электронов — то есть сначала электроны поглощают свет — и резкое падение намагниченности. То есть из-за того, что электроны горячие, и из-за того, что магнетизм связан с электронами, у вас получается резкое проседание намагниченности. Затем через 2–3 пикосекунды электронная теплота передается решетке, и решетка начинает как-то колебаться. А потом намагниченность восстанавливается до старого уровня, и происходит просто прецессия вокруг магнитного поля. Вот такие картинки получаются.