Метод лазерного нагрева в алмазной наковальне¶

Метод лазерного нагрева в алмазной наковальне (также лазерный нагрев в ячейке с алмазными наковальнями, англ. laser-heated diamond anvil cell, LHDAC) — это экспериментальный подход в физике высоких давлений, позволяющий одновременно создавать экстремальные давления (до нескольких сотен гигапаскалей) и высокие температуры (до нескольких тысяч кельвинов) в образце, помещённом между двумя алмазными наковальнями. Метод основан на фокусировке мощного лазерного излучения на образце, находящемся под высоким давлением, что обеспечивает его нагрев до состояний, моделирующих условия в глубинных слоях планет, звёздных недр или при лабораторном синтезе сверхтвёрдых материалов.

¶Принцип действия

Основой метода является ячейка с алмазными наковальнями (DAC), где два алмаза с плоскими поверхностями (кулетами) сжимают образец, помещённый в металлическую прокладку (гаскет) с отверстием. Давление в камере создаётся за счёт механического сжатия и может достигать 300–400 ГПа (для сравнения, давление в центре Земли составляет около 360 ГПа). Для нагрева образца до высоких температур используется лазерное излучение, обычно от твердотельных или волоконных лазеров с длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне (например, 1064 нм от Nd:YAG-лазера или 1070 нм от иттербиевого волоконного лазера).

¶Лазерный нагрев

Лазерный луч фокусируется через алмазную наковальню на образец. Алмазы прозрачны для видимого и ближнего инфракрасного излучения, что позволяет доставлять энергию непосредственно к образцу. Поглощение лазерного излучения происходит за счёт взаимодействия с материалом образца: если образец сам по себе слабо поглощает (например, прозрачные диэлектрики), в него добавляют поглощающую добавку (например, платину, вольфрам или графит) или используют тонкий металлический слой-поглотитель. Нагретый участок образца может достигать температур от 1000 до 6000 К и выше, в зависимости от мощности лазера, фокусировки и свойств материала.

¶Контроль температуры

Температура в нагретой зоне измеряется методом спектральной радиометрии: регистрируется тепловое излучение образца в видимом и инфракрасном диапазонах. Обычно используются спектрометры с ПЗС-матрицами, которые позволяют построить спектр излучения и по закону Планка (или его приближению — закону Вина) определить температуру с точностью до нескольких десятков кельвинов. Для повышения точности применяются двух- или многоцветные радиометрические методы, учитывающие поправки на отражение и поглощение излучения алмазами.

¶История развития

Метод лазерного нагрева в алмазной наковальне был впервые реализован в 1970-х годах. Первые эксперименты проводились с использованием непрерывных лазеров (например, CO₂-лазеров с длиной волны 10,6 мкм), но из-за сильного поглощения инфракрасного излучения алмазами и сложностей с фокусировкой они были ограничены. Прорыв произошёл в 1980-х годах с появлением мощных твердотельных лазеров с длиной волны около 1 мкм, которые хорошо проходят через алмазы.

В 1990-х годах метод был усовершенствован за счёт использования импульсных лазеров (наносекундных и фемтосекундных), что позволило достигать сверхвысоких температур (до 10000 К) в микросекундных масштабах. В 2000-х годах началось активное применение LHDAC для изучения фазовых переходов в материалах при давлениях, характерных для мантии и ядра Земли, а также для синтеза новых сверхтвёрдых материалов (например, нитрида углерода и боронитридов).

Ключевые вехи:

• 1976 год — первые эксперименты с нагревом образца в DAC с помощью лазера (группа У. Бассетта, США).
• 1987 год — разработка метода радиометрического измерения температуры в LHDAC (группа Р. Бёлера, Германия).
• 2005 год — создание систем с двойным лазерным нагревом (два лазера с разных сторон) для равномерного прогрева образца.
• 2010-е годы — внедрение синхротронного излучения для одновременного рентгеновского анализа структуры образца при нагреве.

¶Устройство и компоненты

Типичная установка LHDAC включает следующие основные элементы:

• Ячейка с алмазными наковальнями — механическая конструкция, обеспечивающая сжатие образца. Алмазы обычно имеют кулеты диаметром от 0,1 до 0,5 мм, а гаскет изготавливается из металла (например, рения, вольфрама или стали).
• Лазерная система — источник мощного лазерного излучения. Используются как непрерывные (CW) лазеры мощностью 50–200 Вт, так и импульсные (пикосекундные или фемтосекундные) с энергией в импульсе до нескольких миллиджоулей.
• Оптическая система фокусировки — линзы и зеркала, обеспечивающие точную фокусировку лазерного луча на образце через алмазную наковальню. Часто используются объективы с большим числовым отверстием (NA > 0,5) для минимизации пятна нагрева.
• Система измерения температуры — спектрометр, соединённый с оптическим волокном или микроскопом, регистрирующий тепловое излучение из нагретой зоны.
• Система контроля давления — манометры (например, по флуоресценции рубина или по уравнению состояния платины) для измерения давления в камере.
• Дополнительные компоненты — системы охлаждения (водяное или криогенное), вакуумные камеры для защиты образца от окисления, а также рентгеновские источники (синхротроны) для in-situ структурного анализа.

¶Применение

Метод лазерного нагрева в алмазной наковальне широко используется в нескольких научных областях:

¶Геофизика и планетология

LHDAC позволяет моделировать условия в недрах Земли, других планет земной группы и газовых гигантов. С его помощью изучают:

• Фазовые переходы минералов (например, оливина, перовскита, постперовскита) при давлениях до 100 ГПа и температурах до 3000 К.
• Поведение железа и его сплавов при давлениях, соответствующих ядру Земли (до 360 ГПа, 6000 К).
• Свойства водяного льда, метана и аммиака при высоких давлениях (моделирование недр Урана и Нептуна).

¶Физика конденсированного состояния

• Исследование фазовых диаграмм материалов: определение линий плавления, точек фазовых переходов (например, в кремнии, германии, углероде).
• Изучение сверхпроводимости при высоких давлениях (например, в гидридах, таких как H₃S, с критической температурой до 200 К).
• Синтез новых материалов: алмазоподобных фаз (например, нитрида углерода C₃N₄), сверхтвёрдых боридов и карбидов.

¶Химия и материаловедение

• Исследование химических реакций при высоких давлениях и температурах (например, синтез полимерных форм азота, углеродных нанотрубок).
• Получение метастабильных фаз, которые невозможно синтезировать в обычных условиях (например, алмаз из графита).

¶Астрофизика

• Моделирование условий в звёздных недрах и коричневых карликах (давления до 1000 ГПа, температуры до 10000 К) для изучения уравнения состояния водорода и гелия.

¶Преимущества и ограничения

¶Преимущества

• Возможность достижения экстремальных сочетаний давления и температуры (до 400 ГПа и 6000 К) в компактном лабораторном оборудовании.
• Высокая точность контроля температуры (до ±50 К) и давления (до ±0,1 ГПа) при правильной калибровке.
• Возможность проведения in-situ измерений (рентгеновская дифракция, спектроскопия комбинационного рассеяния, оптическая микроскопия) одновременно с нагревом.
• Относительно низкая стоимость по сравнению с крупными установками (например, с алмазными наковальнями с резистивным нагревом).

¶Ограничения

• Неравномерность нагрева: лазерный луч создаёт градиент температуры в образце (до 100–200 К/мкм), что затрудняет получение однородных условий.
• Ограниченный размер образца (обычно 10–100 мкм в диаметре), что усложняет проведение некоторых экспериментов (например, механических испытаний).
• Высокие требования к оптической прозрачности алмазов: дефекты или загрязнения могут привести к их разрушению при высоких мощностях лазера.
• Сложность измерения температуры при очень высоких температурах (>5000 К) из-за сильного теплового излучения и возможного плавления образца.

¶Современные разработки

В последние годы метод LHDAC активно совершенствуется. Ключевые направления:

• Многолучевой нагрев: использование нескольких лазеров (например, с двух сторон образца) для уменьшения температурных градиентов.
• Импульсный нагрев: применение фемтосекундных лазеров для достижения сверхвысоких температур (до 10000 К) в наносекундных масштабах, что позволяет изучать быстрые фазовые переходы.
• Комбинирование с синхротронным излучением: одновременное проведение рентгеновской дифракции и спектроскопии поглощения для анализа структуры и электронных свойств образца в реальном времени.
• Криогенные системы: охлаждение ячейки до температур жидкого гелия (4 К) для изучения сверхпроводимости при высоких давлениях.

¶Источники

1. Bassett W. A. (1979). "Laser heating in the diamond anvil cell". Review of Scientific Instruments, 50(12), 1507–1512.
2. Boehler R. (2000). "Laser heating in the diamond anvil cell: Techniques and applications". Hyperfine Interactions, 128(1–3), 25–40.
3. Dubrovinsky L., Dubrovinskaia N. (2007). "Laser-heated diamond anvil cell: A tool for studying materials under extreme conditions". High Pressure Research, 27(1), 1–15.
4. Mao H. K., Hemley R. J. (1994). "High-pressure physics: The diamond anvil cell". Proceedings of the National Academy of Sciences, 91(25), 11687–11693.
5. Tateno S., Hirose K., Ohishi Y. (2010). "Melting of iron at Earth's inner core boundary based on laser-heated diamond anvil cell experiments". Science, 330(6002), 359–362.