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Dependencia del acoplamiento electrón-fonón de la temperatura atómica

En un estudio pre-probado de MaterialesLos investigadores examinaron el efecto de la dependencia del coeficiente de acoplamiento electrón-fonón de la temperatura atómica en oro, paladio y rutenio. La dependencia de la temperatura atómica da como resultado un comportamiento no lineal, con un equilibrio electrón-fonón más rápido a una temperatura electrónica inicial más alta.

estancia: Efecto de la dependencia de la temperatura atómica en el acoplamiento electrón-fonón en un modelo de temperatura acoplado. Haber de imagen: Phawat/Shutterstock.com

El modelo de dos temperaturas se utiliza para explicar teóricamente la irradiación láser de metal. El parámetro de acoplamiento electrón-fonón controla la transferencia de energía entre los sistemas electrónicos atómicos y en movimiento. La temperatura electrónica y la temperatura atómica afectan la interacción electrón-fonón.

Irradiación láser ultrarrápida

La irradiación de metales requiere pulsos de láser ultrarrápidos y de alta intensidad para las ciencias básicas y aplicadas. La radiación de energía ultrarrápida en este material da como resultado las propiedades y la dinámica de los materiales raros en la fase de no equilibrio.

Tiene muchos otros usos, incluida la microfabricación, la nanotecnología y el procesamiento de materiales. Se producen una serie de eventos físicos debido a la irradiación láser ultrarrápida, que conduce a modificaciones materiales.

La fase de desequilibrio del sistema electrónico.

El sistema electrónico del objetivo primero desarrolla una distribución desequilibrada después de que se absorbe el fotón. La función de distribución térmica de electrones descansa en la fase de equilibrio de Fermi-Dirac durante este corto tiempo. Esta condición de desequilibrio es más corta ya que el acoplamiento electrónico se calienta en escalas de femtosegundos. Dependiendo del nivel de excitación y de una sustancia en particular, el estado de desequilibrio puede durar desde femtosegundos hasta picosegundos.

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La energía se pierde en el sistema electrónico por propagación espacial lejos del punto láser hacia la profundidad del material. Al mismo tiempo, los electrones comparten la dispersión de iones de electrones (o electrones-fonones) con la red. La energía del pulso láser absorbida por los electrones se transmite a través de este proceso al sistema iónico del objetivo.

Los fonones exhiben una fase de desequilibrio durante períodos más largos cuando reciben energía de los electrones. La desaceleración de los electrones y el flujo de energía determinan la dinámica de los materiales irradiados con láser y su estado final después de la irradiación.

Parámetro de acoplamiento electrón-fonón para materiales excitados por láser

El parámetro de acoplamiento electrón-fonón controla cómo se transfiere la energía térmica entre electrones y fonones. Los resultados de diferentes cálculos teóricos para este parámetro de materiales excitados por láser mostraron grandes discrepancias.

El electrón-fonón, o más generalmente, el coeficiente de acoplamiento electrón-ion, es una función del estado actual de la sustancia excitada, que incluye factores como la temperatura, la densidad y la estructura. Por este motivo, es difícil calcularlo e incorporarlo a los modelos existentes destinados a simular la interacción de un láser con la materia.

Dos, modelo de temperatura

El modelo de doble temperatura es el modelo más común y más utilizado que representa el intercambio de energía electrón-fonón. El modelo de dos temperaturas utiliza un parámetro de acoplamiento constante que depende de la temperatura de los electrones.

Múltiples tecnologías de temperatura diferentes provienen de extensiones TTM que tratan las bandas electrónicas y distintos patrones de fonones individualmente, cada uno con su propia temperatura. Dichos métodos requieren una comprensión más profunda del coeficiente de acoplamiento electrón-fonón.

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Además del trabajo teórico, los avances recientes en métodos experimentales que utilizan difracción de rayos X y electrones ultrarrápidos permiten la exploración de los estados transitorios de materiales excitados por láser con una resolución espacial y temporal sin precedentes.

Utilizando modelos teóricos apropiados, estas técnicas permiten extraer el parámetro de acoplamiento electrón-fonón en función de las condiciones de irradiación. Estos desarrollos experimentales fomentan una mayor investigación sobre el parámetro de acoplamiento electrón-fonón, que es una de las propiedades menos comprendidas de los materiales irradiados con láser.

Dependencia del parámetro de acoplamiento de la temperatura atómica

Akhmetov et al. La técnica de dinámica molecular de enlaces estrechos (TB) se amplió para centrarse en la relación del parámetro de acoplamiento con la temperatura atómica. Los investigadores utilizaron cálculos simples de TTM para los metales rutenio, paladio y oro para demostrar que dicha dependencia a menudo se había pasado por alto en investigaciones anteriores. La dependencia del parámetro de acoplamiento de la temperatura atómica es importante a grandes dosis de radiación.

Dos parámetros distintos del componente TB calculan el coeficiente de acoplamiento. Utilizando la información de las mediciones de reflectancia térmica de la bomba óptica, los investigadores evaluaron varios coeficientes de acoplamiento calculados para el rutenio y extrajeron algunos resultados cualitativos.

Resultados de la investigacion

Akhmetov et al. Presente los parámetros de acoplamiento electrón-fonón esperados para Ru, Pd y Au en función de las temperaturas atómica y electrónica. Muestran que el acoplamiento atómico dependiente de la temperatura influye significativamente en el tiempo de relajación electrón-fonón del equilibrio en las dosis de absorción media y alta de todos los materiales considerados.

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Para una simulación precisa, es necesario considerar la dependencia del parámetro de acoplamiento de la temperatura atómica. El acoplamiento electrón-fonón calculado de Au y Ru también se contrasta con diferentes parámetros de unión estrecha conmutables.

Los investigadores descubrieron que la elección de parámetros en Au tiene un impacto significativo en las temperaturas de los electrones por debajo de 15 K. Este resultado es importante para la interpretación de experimentos de reacción láser ultrarrápidos.

El análisis de la reflexión térmica transitoria de películas delgadas de Ru usando diferentes coeficientes de acoplamiento de electrones y fonones mostró que los cálculos, dependiendo de la temperatura atómica, muestran una excelente concordancia con los resultados experimentales actuales. Esto resalta la importancia de calcular el parámetro de acoplamiento en función de la temperatura atómica.

referencia

Akhmetov, F., Medvedev, N., Makhotkin, I., Ackermann, M. y Milov, I. (2022). Efecto de la dependencia de la temperatura atómica en el acoplamiento electrón-fonón en un modelo de temperatura acoplado. MaterialesY el 15(15), 5193. https://www.mdpi.com/1996-1944/15/15/5193

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