Физики из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН вместе с коллегами из Ноттингемского университета и Университета Пуэрто-Рико придумали новый эффективный способ создания мощных пикосекундных импульсов деформации, амплитуда которых близка к 1%. Открытие найдет применение в акустической наноскопии для исследования механических свойств живых клеток или для управления различными свойствами материалов на пикосекундной временной шкале. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Communications.

Звуковые волны используются уже достаточно давно, например в УЗИ, для исследования состояния внутренних органов живых существ или в дефектоскопии для анализа микроструктуры и нахождения скрытых трещин в материалах. Если повышать частоту акустических волн, то с их помощью можно исследовать механические свойства объектов уже на нанометровых масштабах. Такая акустическая наноскопия используется при исследовании, например, графена и других двумерных материалов, а также полупроводниковых гетероструктур, полимерных покрытий и живых клеток.

При акустической наноскопии ученые используют короткие импульсы продольной деформации — это чередующиеся области сжатия и растяжения, которые распространяются в материале со скоростью звука. Чтобы получить такие импульсы, сегодня применяются опто-акустические преобразователи, роль которых выполняют тонкие пленки металла, который под действием фемтосекундного лазерного импульса нагревается и расширяется, генерируя волну деформации. Но при таком методе материал сильно нагревается, что может приводить как к разрушению самого преобразователя, так и к повреждению исследуемых образцов.

Теперь российские ученые вместе с зарубежными коллегами разработали новый способ генерации таких импульсов. Для этого они провели ряд экспериментов и расчетов, чтобы выяснить, какой импульс деформации можно получить при возбуждении фемтосекундным лазером материала пленки диоксида ванадия. В VO₂ возможен структурный переход первого рода. Исследователи предположили, что если вызвать такой переход с помощью фемтосекундного импульса, то быстрая перестройка решетки приведет к созданию акустической волны деформации.

Проведя такой эксперимент, физики смогли получить импульсы деформации с большой амплитудой, которая достигала 1%. При этом энергия лазерного пучка, используемого для создания импульса деформации, была намного меньше обычно используемой в экспериментах с металлическими пленками. После этого авторы работы провели теоретические расчеты и обнаружили еще один важный факт, помимо очень большой амплитуды.

Выяснилось, что нагрев пленки диоксида ванадия, необходимый для создания импульса деформации такой амплитуды, намного слабее типичного для металлических преобразователей. Это связано с тем, что при лазерно-индуцированном фазовом переходе первого рода большая часть энергии от лазерного импульса затрачивается не на нагрев, а на запуск такого перехода. Результаты исследования показали, что диоксид ванадия, который обычно применяется для создания «умных окон» или полевых транзисторов, оказался еще и перспективным материалом для преобразователей оптических импульсов в импульсы деформации.