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Or excité par laser montre un comportement étrange – Découverte révolutionnaire

par Sara
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Or excité par laser montre un comportement étrange - Découverte révolutionnaire

Or Excité par Laser Montre un Comportement Étrange – Découverte Révolutionnaire

Imaginez un groupe de personnes se tenant par la main se balançant doucement ensemble, mais lorsqu’elles sont brusquement poussées, elles se pressent rapidement pour lier leurs bras ensemble plus fermement pour résister à la poussée, et tremblent plus rapidement pour contrer la perturbation.

De même, des chercheurs du laboratoire d’accélération nationale « SLAC » du département de l’Énergie américain ont découvert que les particules d’or, lorsqu’elles sont exposées à des impulsions laser intenses, resserrent leurs liens moléculaires et vibrent plus rapidement, contrairement à ce qui est courant pour d’autres matériaux.

Alors que de nombreux matériaux comme le silicium se désintègrent généralement lorsqu’ils sont exposés au laser, les chercheurs ont noté dans la nouvelle étude publiée dans « Science Advances » que l’or devient plus dur et plus flexible, un phénomène connu sous le nom de « phonon hardening ».

Le « phonon » fait référence à l’énergie vibratoire se propageant à travers un matériau solide. Lorsque les matériaux sont soumis à des forces externes ou à des changements de température, les atomes à l’intérieur du matériau vibrent, et ces vibrations peuvent être décrites en termes de « phonons ».

Le « phonon hardening » fait référence à un phénomène où le comportement vibratoire des atomes à l’intérieur d’un matériau change en réponse à des stimuli externes, tels que des impulsions laser intenses, entraînant une augmentation de la dureté du matériau en raison des modifications de la propagation des phonons à travers le réseau cristallin.

L’équipe de recherche a utilisé les capacités du dispositif laser cohérent « ECLS » pour prouver les propriétés uniques de l’or lorsqu’il est exposé à des impulsions laser intenses (Laboratoire d’accélération nationale)

Pourquoi le Dispositif Laser Cohérent ECLS ?

Le dispositif laser cohérent ECLS est le laser à rayons X le plus puissant au monde, unique en son genre en termes de son mécanisme de fonctionnement qui repose sur :

  • La technologie de laser à électrons libres : Contrairement aux lasers conventionnels qui utilisent des miroirs pour amplifier la lumière émise par les atomes ou les molécules, l’appareil utilise des faisceaux électroniques à haute énergie se déplaçant presque à la vitesse de la lumière. Ces électrons sont accélérés à travers un accélérateur linéaire pour obtenir de l’énergie.
  • Génération d’impulsions de rayons X : Une fois que les électrons sont suffisamment accélérés, ils sont dirigés vers une matrice magnétique longue ondulée. En mode ondulatoire, les électrons oscillent aller-retour, ce qui entraîne l’émission de rafales intenses de rayons X dans ce processus, et ce rayonnement est cohérent, ce qui signifie que les ondes émises par les électrons individuels sont synchrones, ce qui entraîne des impulsions de rayons X intenses et focalisées.
  • Spectre des rayons X ajustable : Une des caractéristiques du dispositif laser cohérent ECLS est sa capacité à produire des rayons X sur une large gamme de longueurs d’onde et d’énergies. Les scientifiques peuvent ajuster la longueur d’onde des impulsions de rayons X en modifiant l’énergie du faisceau d’électrons ou la force du champ magnétique, et cette adaptabilité permet aux chercheurs d’adapter les rayons X à des besoins spécifiques pour leurs expériences.
  • Précision temporelle extrêmement élevée : Cet aspect est également crucial, car les impulsions de rayons X générées par le dispositif laser cohérent ECLS sont extrêmement courtes, ne durant qu’une « femtoseconde », et cette échelle de temps ultrarapide permet aux scientifiques de capturer des images de processus ultra-rapides – tels que des réactions chimiques ou des changements dans la structure atomique – avec des détails sans précédent.

Le laboratoire d’accélération nationale SLAC opère le laser à rayons X le plus puissant au monde (Laboratoire d’accélération nationale)

De la Préparation à la Preuve

Le processus d’utilisation de cet appareil unique pour prouver le comportement différent de l’or lorsqu’il est exposé à un laser intense a été décrit par les chercheurs dans l’étude, notamment :

  • La préparation expérimentale : Les chercheurs ont commencé par préparer de minces membranes d’or à utiliser dans les expériences, conçues pour être suffisamment minces pour permettre un contrôle précis et une surveillance du comportement du matériau sous l’excitation du laser intense.
  • Le ciblage par des impulsions laser optiques : Les chercheurs ont utilisé des impulsions laser optiques pour irradier les minces films d’or, fournissant à ces derniers les énergies intenses nécessaires pour exciter les particules d’or et induire le durcissement des phonons.
  • La capture d’images au niveau atomique : Après l’irradiation des films d’or par des impulsions laser optiques, les chercheurs ont utilisé des impulsions de rayons X ultra-rapides du dispositif laser cohérent ECLS pour capturer des images au niveau atomique de la réponse du matériau, ces rayons X étant capables de capturer des processus ultra-rapides de manière incroyable, permettant aux chercheurs de surveiller avec une grande précision le comportement des particules d’or.
  • Les mesures de diffraction des rayons X : Les chercheurs ont utilisé des techniques de diffraction des rayons X dans le dispositif laser cohérent ECLS pour mesurer la réponse structurelle de l’or lorsqu’il est excitée par le laser. La diffraction des rayons X est un puissant outil pour étudier l’arrangement des atomes dans un matériau et comment il change dans des conditions différentes. En analysant les modèles de diffraction produits par les impulsions de rayons X, les chercheurs ont pu obtenir un aperçu perspicace des arrangements atomiques et de la stabilité des membranes d’or dans des conditions extrêmes.
  • Observation du « phonon hardening » : Les chercheurs ont remarqué à travers leurs expériences le phénomène du « phonon hardening » dans l’or, indiquant que les liaisons du matériau sont renforcées et que les énergies des phonons augmentent lorsqu’elles sont exposées à des impulsions laser intenses. En observant les changements dans le comportement vibratoire des particules d’or, les chercheurs ont pu apporter une preuve tangible du « phonon hardening » dans l’or lorsqu’il est soumis à des conditions extrêmes.
  • Analyse et interprétation des données : Enfin, les chercheurs ont analysé les données recueillies lors de leurs expériences pour interpréter les résultats. Ils ont comparé leurs observations aux prévisions théoriques et aux simulations antérieures pour vérifier la validité des résultats obtenus. Les preuves expérimentales qu’ils ont obtenues confirment le phénomène du « phonon hardening » dans l’or, remettant en cause les concepts antérieurs et ouvrant de nouvelles perspectives de recherche dans les sciences des matériaux.

Le silicium se désintègre lorsqu’il est exposé au laser, tandis que l’or devient plus dur et plus flexible (Intelligence Artificielle)

3 Applications Potentielles

Les chercheurs ont exprimé dans un communiqué de presse émis par le laboratoire d’accélération nationale SLAC du département de l’Énergie américain leur satisfaction quant aux résultats obtenus, évoquant trois applications importantes qui pourraient découler de cette découverte, à savoir :

  • Technologies améliorées pour la fabrication laser et la fabrication de matériaux : Comprendre comment les matériaux comme l’or réagissent aux impulsions laser intenses au niveau atomique peut conduire au développement de technologies améliorées pour la fabrication laser et la fabrication des matériaux. En tirant parti des idées issues de l’étude du phonon hardening, les chercheurs pourraient améliorer la précision, l’efficacité et la fiabilité des processus impliquant la découpe, le perçage et la mise en forme des matériaux à l’aide du laser.
  • Développement de matériaux plus flexibles : La découverte du phonon hardening dans l’or ouvre de nouvelles possibilités pour la conception de matériaux plus flexibles. En exploitant les mécanismes sous-jacents à ce phénomène, les chercheurs pourraient concevoir des matériaux plus résistants, durables et capables de résister à des environnements rigoureux. Ces matériaux pourraient trouver des applications dans diverses industries, y compris l’aéronautique, l’automobile, l’électronique et la construction, où la robustesse et la fiabilité sont des exigences essentielles.
  • Exploration de phénomènes similaires dans d’autres métaux : Les chercheurs croient que des phénomènes similaires pourraient être présents dans d’autres métaux tels que l’aluminium, le cuivre et le platine. L’exploration plus poussée du phonon hardening dans ces matériaux offre des aperçus précieux sur leur comportement dans des conditions rigoureuses, ouvrant la voie au développement de nouveaux matériaux aux propriétés distinctes. Cette connaissance peut avoir des implications étendues sur diverses applications technologiques et progrès scientifiques.

Questions Nécessitant des Réponses

D’un autre côté, le chercheur en science des matériaux à l’Université de Zagazig, en Égypte, Khalid Farhat, loue les résultats obtenus par les chercheurs, mais estime qu’il est nécessaire de poursuivre les expériences pour répondre à certaines questions, affirmant que cela est essentiel pour pouvoir exploiter la découverte dans de nombreuses applications.

Parmi les questions que Farhat mentionne dans une interview téléphonique avec « Al Jazeera Net », il s’agit des « stratégies d’amélioration et de contrôle », expliquant : « Est-il possible de contrôler le phonon hardening ou de l’améliorer pour renforcer ses effets bénéfiques dans les matériaux », soulignant que la réponse à cette question pourrait aider à atténuer les défis ou les restrictions potentielles dans les applications pratiques.

Il explique que les chercheurs doivent également répondre à la question de « la stabilité et la fiabilité à long terme », car ils doivent savoir « comment le phonon hardening affecte la stabilité et la fiabilité des matériaux sur le long terme dans des conditions d’exploitation différentes ».

Il déclare que « les expériences étudiant la stabilité et la fiabilité des matériaux exposés au phonon hardening sur de longues périodes fourniront des perspectives cruciales pour évaluer la pertinence et la durabilité des matériaux dans des applications du monde réel ».

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