Международный коллектив физиков, в который вошли сотрудники Института теоретической физики им. Ландау РАН и ВНИИ автоматики им. Духова, представил уточнение модели разрушения тонких пленок рутения под действием лазера. Это открытие поможет создать более долгосрочные покрытия для зеркал лазера на свободных электронах.

Работа исследователей опубликована в журнале Applied Surface Science.

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) уникален тем, что может создавать сверхмощные лазерные импульсы в очень большом диапазоне частот — по большей части в рентгеновском. XFEL создает очень короткие лазерные импульсы с частотой 27 тысяч раз в секунду. С их помощью возможно с разрешением в десятые доли нанометра изучать структуру биологических молекул, исследовать процессы, происходящие в топливных элементах, и даже создавать видео быстрых химических реакций.

Однако из-за особенностей работы на XFEL нельзя использовать обычную оптику. Рентгеновские лучи легко проходят через большинство материалов, не отражаясь от них. Для решения этой проблемы ученые используют особые зеркала, покрытые сверхтонкими пленками из тяжелых металлов, например золота или рутения. Они располагаются так, что рентгеновские пучки сталкиваются с их поверхностью под очень малыми углами и частично отражаются.

Но взаимодействие с мощным рентгеновским излучением портит покрытие зеркала. Для создания более долговечных зеркал ученым необходимо понимать процессы, происходящие с покрытием при действии рентгеновского излучения. Для этого необходимо иметь физическую модель процессов, которые предшествуют этому явлению. Ученые занимаются созданием такой модели с 1970-х годов, но до сих пор она не давала достаточно точных результатов.

На практике невозможно непосредственно изучить, что происходит при абляции металлических пленок под воздействием сверхмощных лазерных импульсов. Процессы протекают настолько быстро, что никакие приборы не могут зафиксировать их.

Авторы новой работы усовершенствовали существующую модель. Теперь она детально описывает множество происходящих при абляции процессов и позволяет делать точные предсказания того, что будет с пленкой при тех или иных условиях.

Согласно ей, на первой стадии электроны металла поглощают излучение и становятся очень горячими. Затем они передают накопленное тепло ионам, составляющим металлическую решетку. Новый вариант физической модели позволяет рассчитывать множество параметров, например как долго электроны будут оставаться высоковозбужденными, в каком темпе они будут отдавать свою энергию в решетку и т. д.

Также авторы новой работы провели эксперименты на XFEL. Они облучали тонкие пленки из рутения лазером разных диапазонов: с энергией 1,5 эВ (оптический диапазон) и 92 эВ (экстремальный ультрафиолет), а также использовали ранее опубликованные результаты измерений с энергией фотонов 7 и 12 кэВ (жесткий рентген). Затем при помощи атомно-силового, сканирующего и просвечивающего электронного микроскопов специалисты определили очертания и характеристики образовавшихся абляционных кратеров и сравнили эти данные с теми, что были получены, исходя из теоретической модели.

Предсказания очень хорошо совпали с данными эксперимента. Модель позволила предсказать, при какой энергии начинается разрушение пленки, с высокой точностью. Это говорит о том, что она правильно описывает происходящие процессы. Большинство других существующих моде