Au / Ni / MgO: transferencia de calor a nanoescala

Los científicos de nuestro tiempo, como hace cien o trescientos años, buscan constantemente algo nuevo. Cada vez que se descubre una nueva propiedad de una sustancia, fenómeno o proceso, las grandes mentes buscan una aplicación práctica para esto. La investigación de hoy no es la excepción. Todos los días, la cantidad de datos en el mundo está en constante crecimiento. Debido a que el desarrollo de nuevas formas de almacenar información está ahora en auge de popularidad, como computadoras cuánticas, dispositivos basados ​​en microorganismos, etc. La base de posibles portadores del futuro puede ser una variedad de cosas, desde skyrmions hasta fotones. Hoy consideraremos el estudio de un proceso físico tan familiar para nosotros como la transferencia de calor, pero desde un nuevo ángulo. Los científicos dicen que la transferencia de calor ultrarrápida en estructuras metálicas multicapa de nanómetros puede servir como base para una nueva tecnología. ¿Por qué fue este proceso el que les causó tanto interés, y puede su enunciado realmente considerarse profético? El informe de los científicos, en el que ahora profundizamos, nos ayudará a entender esto. Vamos

Base de estudio

El calentamiento y enfriamiento ultrarrápidos de películas metálicas delgadas son aspectos fundamentales del estudio de la interacción de fotones y electrones, así como la transferencia de calor a escala nanométrica.

El interés en la temperatura y sus cambios en la desmagnetización de femtosegundos inducida ópticamente era grande antes, en vista de la consideración de la conmutación de pulsos múltiples. Además, la atención de los científicos también se ve atraída por los flujos de energía en metales multicapa, que surgen debido a la excitación óptica, ya que juegan un papel importante en el proceso de grabación magnética utilizando cambios de temperatura y en la conmutación magnética completamente óptica.

Sin embargo, siempre ha habido dificultades para estudiar tales fenómenos en muestras tan pequeñas. Para comprender mejor la esencia de los flujos de energía térmica, es necesario acceder a la temperatura de la red molecular en sí, que desempeña el papel más importante en la capacidad calorífica.

Los científicos se dieron cuenta de que la difracción de rayos X ultrarrápida (UXRD) en ángulos de Bragg específicos de la muestra * era excelente para mediciones tan complejas.

Difracción de Bragg * : el fenómeno de una fuerte dispersión de las ondas en ciertos ángulos de incidencia y una determinada longitud de onda.

Este método permite mediciones de la estructura multicapa, incluso si las capas se encuentran debajo de una capa de recubrimiento opaca o si su grosor es menor que el grosor de la capa superficial. También es posible medir los cambios en la red de cada capa con alta precisión, lo que permite determinar la cantidad de calor liberado en las capas de metal.

El método UXRD ya se ha usado antes, pero tiene ciertas limitaciones. Primero, la resolución temporal fue de aproximadamente 100 ps, ​​lo que nos permitió estudiar la transferencia de calor por un corto tiempo y a una distancia de menos de 100 nm. En este estudio, fue posible lograr mediciones a una distancia de aproximadamente 5 nm.

Muestra

Como muestra de prueba, se usó una muestra de Au / Ni de dos capas, en la que el espesor de Au (oro) fue de 5,6 nm. y Ni (níquel) es 12.4 nm. El MgO (óxido de magnesio) actuó como sustrato, ya que su coeficiente de reflexión es 1, es decir, el MgO es un reflector absoluto.

Las observaciones de la dinámica de las redes de las capas de Au y Ni mostraron que después de solo 2 ps, la red de Ni se expande. Al mismo tiempo, la red Au permanece fría, incluso si la mayor parte de la luz fue absorbida por el subsistema electrónico de esta capa. El enrejado de Au se calienta bastante lentamente, alcanzando una temperatura máxima después de aproximadamente 80 ps después de la exposición óptica.

El proceso de relajación * de una estructura de dos capas es de 2 órdenes de magnitud más lento que 1 picosegundo, que difiere de los cálculos anteriores, y más lento que el tiempo estándar para lograr el equilibrio electrón-fonón (τ ⁰ _Au = 1–5 ps).

La relajación * es el proceso de establecer el equilibrio termodinámico en un sistema.


Uno de los principales factores para lograr el equilibrio termodinámico es el equilibrio térmico. Qué se muestra en el video (un poco torpe, pero simple y preciso).

Para los científicos, un resultado similar fue una sorpresa. Explican esto por el hecho de que el estado desequilibrado entre los electrones y la red de Au dura más tiempo en la estructura de dos capas que si Au constituyese una sola capa del sistema. Los estudios del sistema Au - Pt de dos capas ayudaron a entender esto.

Preparación del experimento y resultados

Para excitar el sistema electrónico Au (capa superior) y Ni, se usó un láser de femtosegundo con una longitud de onda de 400 y 800 nm.


Imagen No. 1: estructura de la capa de muestra

Cabe señalar que con un pulso láser con una longitud de onda de 400 nm, el grado de absorción de las capas de Au y Ni es aproximadamente el mismo, mientras que a 800 nm la capa de Au prácticamente no absorbe la luz. Una diferencia tan fuerte se debe al hecho de que a 400 nm la capa de Au tiene un índice de refracción significativamente mayor. A una longitud de onda de 800 nm en la capa de Au (espesor 5,6 nm), la interferencia perjudicial de la luz reflejada reduce el grado de absorción.


Imagen No. 2: datos experimentales

La imagen 2a muestra el patrón de difracción de rayos X de la muestra, que confirma la orientación cristalina de las nanocapas de Au y Ni. Las líneas coloreadas muestran los cambios de transición de los picos de Bragg en instantes de tiempo seleccionados: 2b para Au y 2c para Ni. La línea discontinua blanca es el espacio del eje desde lineal hasta la línea de tiempo logarítmica.


Imagen 3: termodinámica de capas (Ni, Au) y sustratos (MgO)

Ahora vale la pena considerar con más detalle el proceso de transferencia de calor en la muestra experimental. Como se mencionó anteriormente, es Ni el que se expande inicialmente, mientras que la capa de Au se contrae debido a la expansión de la capa de Ni. Después de 3 ps, la capa de Au comienza a expandirse activamente cuando la onda de compresión se transforma en una onda de expansión debido a la reflexión en la superficie. Al mismo tiempo, también se observan vibraciones insignificantes de la onda de deformación en la capa de Ni.

Después de una marca de tiempo de 80 ps, ​​que es bastante tiempo, Au alcanza su máxima expansión transfiriendo calor desde la capa de Ni, cuando las temperaturas de las dos capas son aproximadamente iguales. Además, a alrededor de 100 ps, ​​el proceso de enfriamiento comienza, cuando el calor ya se transfiere al sustrato de óxido de magnesio.

También fue posible determinar que después de 20 ps desde el comienzo del proceso, la cantidad de energía térmica transferida de Ni a Au es igual a la cantidad de energía transferida al sustrato.

Ya después de 150 ps, ​​la mitad de la energía térmica de la película de dos capas pasa al sustrato. Sin embargo, los científicos aún no entienden por qué la capa ultrafina de Au no se calienta mucho más rápido debido a la transferencia electrónica de calor, que es bastante común para los metales. Y la "fuga" de calor en el sustrato no proporciona explicaciones exhaustivas.

Basado en estudios recientes del coeficiente de reflexión de la radiación térmica, los científicos han creado un modelo avanzado de dos temperaturas que ayudará a explicar el calentamiento lento de Au (imagen 3a ).


Modelo de dos temperaturas

Y ahora en orden. Los sistemas electrónicos Ni y Au alcanzan rápidamente el equilibrio debido a su alta conductividad eléctrica. La confirmación del equilibrio rápido es el hecho de que en las primeras 2 ps, la capa de Au se comprime igualmente a 400 nm y a 800 nm. Si no fuera así, la alta presión de electrones en Au después de la exposición a un haz de 400 nm conduciría a la compresión causada por la expansión de Ni.

Otra prueba del equilibrio es la siguiente afirmación de los investigadores: si los electrones no alcanzan el equilibrio en menos de 1 ps y, por lo tanto, eliminan el calor del sistema electrónico de Au, entonces no se observaría una compresión tan fuerte de Au, ya que la presión del electrón conduciría inmediatamente a la expansión de Au .

Con respecto a la constante de interacción electrón-fotón, es mucho más grande en la capa de Ni que en Au. Casi toda la energía fotónica recibida por el sistema electrónico se envía a la red Ni. Y esto a pesar del hecho de que a 400 nm aproximadamente 1/3 de la energía absorbida se introdujo inicialmente en el sistema electrónico Au.


Imagen No. 4: comparación del modelo con datos experimentales

El gráfico 4a muestra la deformación (líneas discontinuas) calculada a partir del calentamiento promedio de las capas. Estos cálculos corresponden al modelo que se muestra en la imagen 1b. Pero las líneas continuas son simulaciones basadas en el modelo descrito anteriormente.

4b es una representación en color de la deformación en función de la profundidad y el tiempo de la muestra, construida teniendo en cuenta la presencia de una tensión térmica transitoria espacialmente uniforme en las capas. Este gráfico corresponde a las líneas discontinuas en el gráfico 4a.

El informe de los científicos describió con más detalle los detalles de su investigación, así como los métodos de cálculo, por lo tanto, le recomiendo que se familiarice con él.

Epílogo

Este estudio permitió estudiar los procesos de transferencia de calor en una estructura multicapa a nivel nanométrico, lo que posteriormente abre la posibilidad de caracterizar con más detalle ciertas propiedades de sistemas complejos de aleaciones y combinaciones de metales.

Los electrones de Au y Ni mostraron la capacidad de entrar en el estado de equilibrio extremadamente rápido, lo que se confirma por el hecho de que, cuando se expone un haz de 400 nm y 800 nm, inicialmente el calentamiento ocurre solo en Ni, independientemente de la energía absorbida por la capa de Au.

A 400 nm, se detectó el proceso de transferencia de energía térmica entre capas (de una capa a otra y viceversa). Al principio, los electrones transfieren rápidamente energía de Au a Ni, por lo que parte del calor se transfiere de los fotones de Ni a los fotones de Au. Al final, el calor pasa a través del Ni al sustrato de óxido de magnesio.

Debido al débil acoplamiento electrón-fotón en Au, la energía transferida desde los fotones de Ni a través de los electrones de Ni y Au a la red de Au se suprime fuertemente. Este estudio definitivamente tendrá un fuerte efecto en el futuro estudio del intercambio electrónico de sobredifusión y la desmagnetización / remagnetización óptica.

Tal trabajo puede y se convertirá en un elemento importante para mejorar ciertos aspectos de las tecnologías futuras. Estos son solo los primeros pasos, pero el potencial es obvio. Si no es escéptico de dicha investigación y quiere comprender lo que otros consideran poco importante, el progreso avanzará mucho más rápido y de manera más eficiente.

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