Анімація руху ударної хвилі в монокристалі алмазу. Швидкість хвилі приблизно 20 кілометрів на секунду
Зображення: Andreas Schropp et al. / Scientific Reports, 2015
Фізики з синхротронного центру DESY за допомогою рентгенівського випромінювання вперше побачили, як в алмазі поширюється ударна хвиля. Робота опублікована в журналі Scientific Reports, а коротко з нею можна ознайомитися на сайті центру.
Для експерименту автори розробили новий рентгенівський мікроскоп, призначений для роботи з випромінюванням лазерів на вільних електронах . За принципом роботи цей мікроскоп більше нагадує собою проектор: високоенергетичне випромінювання фокусується за допомогою рентгенівської заломлюючої лінзи в точку, в 11,5 сантиметрах позаду якої розташовується зразок алмазу. Промені, проходячи через зразок, розходяться і формують зображення на детекторі, розташованому в 4,3 метра від фокусу. В результаті зображення збільшується в 37,6 рази.
Швидкості поширення ударної хвилі в алмазі можна порівняти зі швидкістю звуку і досягають 18,6 кілометрів в секунду в окремих напрямках. Тому для того, щоб побачити її фронт, необхідні витримки значно коротше звичайних фотографічних - в роботі автори використовували пучки рентгенівського випромінювання тривалістю всього 50 фемтосекунд - квадріліонних часток секунди.
Кадри анімації руху ударної хвилі
Зображення: Andreas Schropp et al. / Scientific Reports, 2015
Як зразок фізики використовували алмазну пластинку завдовжки 3 сантиметри і завтовшки 0,3 міліметра. Ударна хвиля створювалася в ній за допомогою інтенсивного лазерного імпульсу, сфокусованого в обсязі кристала. Рух ударної хвилі вдалося побачити завдяки тому, що її фронт стискає речовина алмазу і тим самим знижує його прозорість для рентгенівського випромінювання.
Коливання щільності (в грамах на сантиметр кубічний), що викликаються ударною хвилею
Зображення: Andreas Schropp et al. / Scientific Reports, 2015
За результатами вимірювання, швидкість її руху склала від 18,2 до 21,6 кілометрів на секунду, що добре співвідноситься з відомим значенням швидкості звуку в алмазі. За словами авторів, нова техніка дозволяє отримувати зображення з роздільною здатністю в 500 нанометрів, а при оптимізації детектора і параметрів вихідного пучка випромінювання можна досягти і 100 нанометрів.
Положення ударної хвилі
Зображення: Andreas Schropp et al. / Scientific Reports, 2015
Отримати пучок випромінювання необхідної потужності і тривалості вдалося завдяки LCLS (Linac Coherent Light Source). Це перший лазер на вільних електронах, що створює жорстке рентгенівське випромінювання. Усередині цього пристрою відбуваються вимушені коливання електронів в спеціальних ундуляторах - наборах магнітів, певним чином формують магнітне поле. У процесі руху електрони випускають кванти світла високих енергій, що відповідають рентгенівському діапазоні. Зараз в світі йде будівництво найбільшого лазера на вільних електронах - EXFEL .
