Использование коротких мощных лазерных импульсов позволяет манипулировать структурой твердых тел и молекул на малых временных масштабах. С помощью лазерных импульсов фемтосекундной длительности можно получать и требуемые изменения формы молекул - как показывают расчеты интернациональной группы ученых, с их помощью можно "открывать" одностенные углеродные нанотрубки.

Рис.1. Воздействие лазерного импульса длительностью 10 фемтосекунд (энергия кванта - около 1.9 эВ) на одностенную углеродную нанотрубку при поглощенной энергии порядка 2 эВ на атом: a) нанотрубка в момент прихода импульса, b) через 150 фс, c) через 180 фс.

Нужда в удалении "шапочек", закрывающих углеродную нанотрубку (рис.1a), существует по многим причинам. Напримре, в случае, когда необходимо вырастить нанотрубку большой длины, полезно было бы периодически снимать нарастающие шапочки; также снятие шапочек нужно для создания структур типа "молекулы внутри нанотрубки". Поэтому важна разработка методов, позволящих удалять шапочки при наименьших издержках. Группа ученых из Германии, США и Мексики предложила использовать для этой цели фемтосекундные лазерные импульсы [1].

Структурные изменения в твердом теле или больших молекулах под воздействием интенсивного лазерного излучения могут иметь различный характер. Самый простой случай - изменения, происходящие вследствие повышения температуры. Но использование коротких лазерных импульсов может приводить и к нетепловым структурным изменениям, чему и была посвящена работа интернациональной группы ученых, которые рассматривали влияние лазерных импульсов на структуру одностенной углеродной нанотрубки.

Под действием мощного фемтосекундного импульса происходит выброс значительной части электронов в более высоколежащие ("антисвязанные") состояния, что приводит к ослаблению связей между атомами. Сильная модификация состояния электронной подсистемы, естественно, влияет и на атомы: те положения, которые атомы занимали до приходы лазерного импульса, больше не являются равновесными. И атомы начинают смещаться к новым "положениям равновесия" (если таковые существуют - в противном случае, когда поглощенная энергия превышает определенный порог, молекула распадается). В отличие от хаотических тепловых смещений атомов, в данном случае движение атомов происходит когерентно (атомы синхронно смещаются к новым "положениям равновесия" и совершают колебательные движения около них). Моделирование для нанотрубки, состоящей из 200 атомов, показывает, что при воздействии лазерного импульса длительностью 10 фс пороговая поглощенная энергия, выше которой происходит разрушение нанотрубки, составляет 2.8 эВ на атом, что соответствует выбросу 10 % валентных электронов в антисвязанные состояния. Более интересно то, что может происходить с нанотрубкой при несколько меньших энергиях.

Рис.2. Изменение радиуса цилиндрической части нанотрубки (Rt) и сферических шапочек (Rs) под действие лазерного импульса длительностью 10 фс при поглощенной энергии 1 эВ/атом. Стрелками показаны моменты, в которые происходит разрыв связей при поглощенной энергии в диапазоне от 2.2 до 2.8 эВ/атом (первая стрелка) и от 1.8 до 2.2 эВ/атом(вторая стрелка).

При энергиях несколько ниже пороговой под действием лазерного импульса возбуждаются две атомные колебательные моды (одна - в цилиндрическом теле трубки, другая - в сферических шапочках), и в результате синхронного движения атомов изменяются размеры нанотрубки (рис.2). Нанотрубка "дышит", и в какие-то моменты напряжения в области контакта шапочки и цилиндра напряжения становятся столь велики, что (в сочетании с ослаблением связей между атомами) приводят к отрыву шапочек (рис.1b, 1c).

Таким образом, в работе было показано, что возможна нетепловая лазерная манипуляция структурой углеродной нанотрубки посредством возбуждения когерентных колебаний атомов. Однако воздействие фемтосекундных лазерных импульсов на структуру кристаллической решетки и форму нанообъектов может найти и существенно более широкое применение в области нанотехнологий.

1. Traian Dumitrica, Martin E.Garcia, Harald O. Jeschke, and Boris I.Yakobson. Phys.Rev.Lett., v.92, 117401 (2004).

Е.Онищенко