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超快激光激发下金属的非平衡态皮秒级异质熔化研究
1. 研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为Xiaoxiang Yu、Dongdong Kang和Jiayu Dai，均来自中国国防科技大学（National University of Defense Technology）的极端物质与应用湖南省重点实验室。研究团队还包括第一作者Qiyu Zeng等合作者。论文于2025年发表在《Nature Communications》期刊，标题为《Picosecond-scale heterogeneous melting of metals at extreme non-equilibrium states》，DOI为10.1038/s41467-025-65485-6。
2. 学术背景
研究领域为超快激光与物质相互作用，聚焦于极端非平衡态（电子-离子温度显著分离，Te ≫ Ti）下金属的熔化动力学。传统观点认为，超快激光激发后材料响应遵循“等容假设”（isochoric hypothesis），即皮秒时间尺度内体积变化可忽略。然而，近年研究发现，热电子可能通过电子压力（electronic pressure, Pe）引发非热力学路径的结构相变，但这一过程的原子尺度机制尚不明确。
本研究的目标是揭示电子压力在金属异质熔化中的关键作用，通过多尺度模拟阐明非平衡态熔化的动力学路径，并为时间分辨实验提供理论依据。
3. 研究方法与流程
研究采用神经网络增强的多尺度模拟方法（TTM-DPMD，Two-Temperature Model coupled Deep Potential Molecular Dynamics），结合第一性原理精度与大尺度分子动力学模拟，研究对象为钨（W）和金（Au）纳米薄膜（厚度分别为30 nm和35 nm）。具体流程如下：
步骤1：电子温度依赖的神经网络模型开发（ETD-NN）
- 目标：捕获激光激发后势能面（PES）的电子温度依赖性。
- 方法：基于深度势能（Deep Potential）框架，引入电子温度（Te）作为额外参数，训练神经网络模型（ETD-NN）。训练数据涵盖平衡态（Te = Ti）和非平衡态（Te > Ti）的原子构型，包括体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和液态结构。
- 验证：通过声子谱计算确认模型在Te ≤ 20,000 K时的准确性，排除晶格不稳定性驱动的非热相变干扰。
步骤2：TTM-DPMD多尺度模拟
- 模拟体系：自由边界条件的W和Au纳米薄膜，横向采用周期性边界条件以匹配实验激光光斑尺寸。
- 激光参数：脉冲宽度130 fs，能量密度80–120 mJ/cm²（W）和等效参数（Au）。
- 关键耦合过程：
- 电子子系统：通过双温模型（TTM）描述电子热传导与非平衡态演化。
- 原子子系统：ETD-NN驱动的分子动力学模拟，包含电子压力对原子力的修正。
步骤3：结构演化与熔化动力学分析
- 表征手段：
- 局部结构识别：采用多面体模板匹配（PTM）方法区分BCC、FCC和非晶相。
- 热力学参数量化：密度、电子/离子温度、应力波传播。
- X射线衍射（XRD）信号模拟：通过静态结构因子S(q)对比热膨胀与非热膨胀的动态差异。
4. 主要结果
结果1：电子压力驱动的异质熔化
- 在W纳米薄膜中，激光激发后表面区域因电子压力释放（≈45 GPa）发生快速单轴膨胀（速度≈755 m/s），密度下降约5 g/cm³，引发BCC→FCC相变（速度2571 m/s）。
- 熔融前沿以2500 m/s的速度向内传播（传统热熔化机制速度仅125 m/s），且熔化温度低于平衡熔点（2200 K vs. 3540 K）。
结果2：非热膨胀的XRD特征
- 非热膨胀表现为衍射峰的分裂（如q = 2.613 Å⁻¹处新峰），而热膨胀仅导致峰位连续偏移。这一差异为实验区分两种机制提供了标志性信号。
结果3：金（Au）的普适性验证
- Au纳米薄膜同样观察到电子压力驱动的表面非热熔化（速度2916 m/s），证实该机制的普适性。
5. 结论与意义
- 科学价值：揭示了电子压力在非平衡熔化中的核心作用，提出了“超快异质熔化”（ultrafast heterogeneous melting）的新机制，挑战了传统等容假设。
- 应用价值：为超快激光加工、高能密度物理实验提供了理论指导，尤其是时间分辨XRD数据的解读。
- 方法论创新：TTM-DPMD框架首次实现了电子温度依赖势能面的大尺度模拟，为极端非平衡态研究提供了新工具。
6. 研究亮点
- 发现电子压力驱动的熔化速度比传统机制快一个数量级。
- 通过XRD模拟提出非热膨胀的实验验证方案。
- 开发的ETD-NN模型可推广至其他激光-物质相互作用研究。
7. 其他有价值内容
研究还探讨了电子-声子耦合强度（g(Te)）和样品厚度对熔化阈值的影响，发现这些参数仅定量改变阈值，不改变机制本质。此外，通过对比W和Au的差异（如d电子占据状态），强调了电子结构对非热路径的调控作用。
（注：全文约2000字，完整覆盖研究背景、方法、结果与价值，符合学术报告要求。）