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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13796 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

Au cours du siècle dernier, la compréhension de la nature de la compression par choc de la matière condensée a constitué un sujet majeur. Il y a environ 20 ans, un laser femtoseconde est apparu comme un nouveau moteur de choc. Contrairement aux ondes de choc conventionnelles, une onde de choc femtoseconde provoquée par un laser crée des microstructures uniques dans les matériaux. Les propriétés de cette onde de choc peuvent donc être différentes de celles des ondes de choc classiques. Cependant, le comportement du réseau sous compression de choc provoquée par un laser femtoseconde n'a jamais été élucidé. Nous rapportons ici le comportement du réseau ultrarapide dans le fer choqué par l'irradiation directe d'une impulsion laser femtoseconde, diagnostiqué par diffraction laser à électrons libres des rayons X. Nous avons constaté que l’état de compression initial provoqué par l’onde de choc provoquée par un laser femtoseconde est le même que celui provoqué par les ondes de choc conventionnelles. Nous avons également trouvé, pour la première fois expérimentalement, la déviation temporelle des pics d'ondes de contrainte et de déformation prédite théoriquement. De plus, l’existence d’un pic d’onde plastique entre les pics d’onde de contrainte et de déformation est une nouvelle découverte qui n’a pas été prédite, même théoriquement. Nos résultats ouvriront de nouvelles voies pour concevoir de nouveaux matériaux alliant résistance et ténacité dans une relation de compromis.

Les états hautement comprimés via des ondes de choc ont été essentiels pour comprendre divers phénomènes tels que la synthèse1 et le renforcement des matériaux2, les impacts à grande vitesse3, la formation de planètes4 et la fusion par confinement inertiel5. Les propriétés des matériaux telles que les propriétés mécaniques, optiques, électriques et magnétiques changent radicalement sur une échelle de temps ultracourte lorsqu'ils sont soumis à une compression par choc6,7. Ces études ont principalement utilisé des explosifs, des impacts de plaques et des lasers de haute puissance comme générateurs de chocs, principalement parce que de tels générateurs de chocs peuvent créer de manière transitoire un état de choc thermodynamiquement stable et d'équilibre thermique, c'est-à-dire l'état Hugoniot8,9 dans le matériau.

Le laser femtoseconde est un outil à choc relativement nouveau, utilisé depuis environ 20 ans10,11,12,13. L'irradiation directe par laser femtoseconde d'un mince film d'aluminium produit une pression de choc de 100 à 300 GPa, selon l'intensité du laser, estimée sous l'hypothèse de l'état de Hugoniot13. L'onde de choc provoquée par un laser femtoseconde dans le métal provoque une déformation plastique et, si le matériau présente des phases à haute pression, une transition de phase à haute pression, laissant des traces uniques telles que des structures de dislocation uniques14,15 et la phase à haute pression du fer16 qui ne peuvent pas être obtenu par des techniques de compression conventionnelles. De plus, la déformation plastique induite par l'irradiation directe des métaux par laser femtoseconde a été appliquée pour renforcer les métaux en tant que nouvelle technique de grenaillage laser sans aucune superposition sacrificielle dans des conditions atmosphériques, appelée grenaillage laser à sec (DLP)17,18, alors que les techniques de grenaillage laser conventionnelles l’utilisation de lasers pulsés nanosecondes nécessite des superpositions sacrificielles telles que des revêtements protecteurs et des supports de confinement du plasma19,20,21.

Les caractéristiques de l'onde de choc provoquée par un laser femtoseconde, telles que le profil de choc et la pression maximale, ont été diagnostiquées expérimentalement à l'aide de schémas de pompe et de sonde ultrarapides, tels que l'interférométrie ultrarapide et l'ellipsométrie dynamique ultrarapide. Les études existantes, à l'exception de l'étude d'Evans13, ont utilisé un schéma de confinement du plasma, c'est-à-dire que le laser pompe traverse le substrat de verre et irradie le mince film métallique déposé sur le substrat de verre, et le laser sonde irradie la surface libre du film. Bien que ce schéma génère une onde de choc et que ses caractéristiques aient été étudiées de manière approfondie10,11,12, on craint que les électrons et les ions éjectés du métal au cours de la première étape de l'irradiation laser femtoseconde puissent affecter la formation du choc dû au préchauffage ou au plasma. expansion car la surface métallique irradiée par le laser constitue l’interface avec le substrat en verre et les électrons et ions éjectés sont confinés dans l’interface23,24,25,26. Evans et coll. ont mesuré le comportement ultrarapide de l'arrière du métal lorsque le laser à pompe était irradié sur la surface libre du métal et ont signalé qu'il était entraîné par une pression de choc de 100 à 300 GPa en supposant l'état Hugoniot13. Cependant, il n’est pas clair si l’onde de choc provoquée par l’irradiation laser femtoseconde directe est applicable dans l’État d’Hugoniot. De plus, les techniques interférométriques et spectroscopiques ultrarapides peuvent fournir des informations sur le comportement ultrarapide des ondes laser à partir de déplacements d'ordre nanométrique avec une résolution temporelle picoseconde10,11,12,13,22. Cependant, ils ne peuvent pas fournir d’informations directes sur le comportement au niveau du réseau, ce qui est essentiel pour comprendre le comportement élasto-plastique et de transition de phase sous compression par choc27,28,29,30.