Le cuivre ne perd pas instantanément sa structure solide lorsqu’un laser le chauffe très brutalement. Ses atomes restent partiellement organisés plus longtemps que ce qui était prévu.
Pour observer ce phénomène, les chercheurs ont envoyé une impulsion laser extrêmement brève sur une fine couche de cuivre. Le laser chauffe d’abord les électrons du métal. Ceux-ci transmettent ensuite une partie de leur énergie aux atomes, qui commencent à s’agiter davantage.
Cuivre naturel.
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À cette échelle, tout se déroule en quelques femtosecondes à quelques picosecondes. Une femtoseconde représente un millionième de milliardième de seconde. L’équipe a donc utilisé des impulsions d’électrons très courtes pour suivre directement l’évolution de l’organisation des atomes.
Les expériences ont utilisé des énergies absorbées représentant deux à quatre fois le seuil nécessaire à la fusion ultrarapide. La désorganisation commence d’abord à la surface, légèrement avant la température normale de fusion. Elle s’étend ensuite rapidement à l’intérieur du matériau.
Le résultat le plus surprenant apparaît lorsque le cuivre est fortement surchauffé. Certaines simulations prévoyaient alors un effondrement très rapide de sa structure cristalline. Les mesures montrent au contraire que cet ordre atomique disparaît progressivement.
De nouvelles simulations expliquent mieux cet écart. Les anciens modèles supposaient notamment des conditions de pression trop statiques. Dans l’expérience, les atomes peuvent davantage se déplacer et se détendre. Ils conservent ainsi une partie de leur organisation au-delà de la limite de surchauffe prévue par certains modèles.
L’étude montre aussi que le transfert d’énergie entre les électrons chauffés par le laser et le réseau d’atomes reste relativement faible dans ces conditions. Ce transfert influence directement la vitesse à laquelle le matériau chauffe et se transforme.
Ces travaux peuvent améliorer les modèles utilisés pour décrire la matière soumise à des apports d’énergie très rapides. Cette question intéresse notamment la recherche sur la fusion nucléaire, où certains matériaux peuvent être exposés à des températures et des flux d’énergie extrêmes.
Les chercheurs souhaitent maintenant tester le cuivre dans d’autres conditions de pression. Ils comptent aussi étudier des alliages de cuivre, envisagés pour certains composants devant absorber ou évacuer de fortes quantités de chaleur dans des systèmes de fusion.