Füüsika instituudi arvutusliku füüsika kaasprofessori Artur Tamme sõnul saab uut modelleerimismetoodikat rakendada mitmes võtmevaldkonnas tarvilike materjalide loomisel. "Teadmised laserite mõjust materjalidele, eriti metallidele nagu volfram, on äärmiselt olulised uute materjalide väljatöötamisel ja olemasolevate omaduste parendamisel. Näiteks võivad sellised teadmised aidata arendada efektiivsemaid ja vastupidavamaid materjale erinevateks rakendusteks, nagu lennundus, kosmosetööstus, energia tootmine jne," loetles Tamm.

Ajakirjas Science Advances kirjeldatud uuringus tegid füüsikud katseid volframi monokristalliga. Taolistes kristallides paiknevad kõik aatomid terve kristalli ulatuses korrapäraselt, moodustades ühtlase struktuuri. Eksperimendis ergastasid teadlased seda ülilühikeste laserimpulssidega. Selle tulemusel tekkisid kuumad elektronid, mille temperatuur küündis 3000 kraadini. Need omakorda mõjutasid ioone, tõstes nende temperatuuri.

Elektronide hajumine kristallis tekitab difraktsioonimustreid, milles sisaldub informatsioon ka aatomite asukoha kohta. Seda analüüsides saab välja arvutada, kuidas aatomid loetud pikosekundite jooksul võnguvad ja see võnkumine aja jooksul muutub. Sellistel ajaskaaladel jõuab isegi valgus vaevu läbi aknaklaasi tungida. USA-s asuv SLAC laboratoorium on taoliste eksperimentidega juba varemgi maailmas silma paistnud.

Nüüd ilmunud uuringus võtsid teadlased uudsena luubi alla ja suutsid täheldada esmakordselt mitte-tasakaalulist seisundit. Tulemuste põhjal mõjutasid laseriga ergastatud elektronid volframikristallis esmalt kõrgsageduslikke võrevõnkumisi. Temperatuurid ühtlustusid kristallis ja kogu materjal läks stabiilsesse seisundisse alles teatud aja pärast, umbes saja pikosekundi möödumisel.

Varem pole maailmas midagi taolist metallis kunagi tuvastatud. Nähtud seisundi tekkimine eeldab elektronide- ja ioonide tugevat vastasmõju ning nõrka võrevõnkumiste hajumist kristallist.

Laseriga ergastatakse esmalt õhuke W plaat. Mõne aja pärast kasutatakse elektronide kiirt, et tekitada difraktsiooni pilt ergastatud kristalliks. Muutes aja nihet on võimalik saavutada ps-resolutsiooniga dünaamikat kirjeldav kujutiste seeria.

"Sama protsessi on võimalik modelleerida aatomi tasemel, kasutades teadusarvutusteks mõeldud superarvuteid. Arvutatud aatomite liikumisest on võimalik tekitada elektrondifraktsiooni kujutis ja võrrelda otse eksperimendi tulemustega. Simulatsioonide aluseks on uudne ioonide- ja elektronide vahelise interaktsiooni mudel," märkis Artur Tamm.

Kaasprofessor selgitas, et sedasorti katsed aitavad uute materjalide välja töötamisse kaasata suuremal määral arvuteid. Need aitavad kinnitada, et teadlaste kasutatavad mudelid ei lahkne oluliselt päris elus toimuvast.

Füüsikute loodud uudne teoreetiline mudel aitab seega mõista katsete tulemusi ja tõlgendada materjalis toimuvaid protsesse varasematest täpsemalt. Lisaks saab lähenemist rakendada mudelite õigsuse kontrollimiseks keerukamate ehitusega materjalides.

Otsese praktilise väljundina saab modelleerimismetoodika appi võtta tuumareaktorites kasutatavate materjalide uurimisel ning nende töökindluse ja ohutuse hindamisel. See võimaldab paremini mõista materjalides kiiritusprotsessist tingitud kahjustusi ja välja töötada näiteks kiirguskindlamaid materjale, mis aitaks tekkivate kahjustuste ulatust piirata.

Samuti on mittetasakaaluliste kiirguskahjustusprotsesside mõistmine oluline kosmosetehnoloogia valdkonnas. Avakosmose karmides tingimustes tabavad elektroonikaseadmeid kõrge energiaga osakestevood ja kalk kiirgus, mis võib neile saatuslikuks saada. Riskide maandamiseks tuleb seetõttu enamasti olulisi komponente dubleerida, mis suurendab seadmete massi. Nõnda otsivad teadlased pidevalt uusi materjale ja tehnoloogiaid, mis suudaks äärmuslikele tingimustele paremini vastu pidada.

Mitte-tasakaaluliste kiirguskahjustusprotsesside mõistmine võib olla oluline ka teistes energiasektorites, näiteks päikesepatareide ja muude energiatootmise tehnoloogiate arendamisel. See võimaldab paremini hinnata materjalide vastupidavust ja töökindlust erinevates tingimustes.

Tamm lisas, et äärmuslikes keskkondades, näiteks tuumareaktorites ja kosmoses, materjalide proovilepanek on töö- ning ressursimahukas. "Lisaks ei pruugi olla võimalik reaktorites või kosmoses esinevaid tingimusi labori tingimustes taasluua. Seetõttu tuleb ekstrapoleerida materjalide sobivust nendes rakendustes või valitakse materjalid lähtudes eelmistest kogemustest pärssides sellega innovatsiooni. Arvutisimulatsioonid on kulutõhus meetod, et testida suurel hulgal materjali tüüpe konkreetsete rakenduste tarbeks ning tingimustel, mis kajastuvad kasutuskeskkondadele," sõnas füüsik.

Kaasprofessor nentis, et arvutuste suurim puudus on mudelite täpsus. Mida rohkem nende paikapidavust kontrollitakse ja sellest lähtuvalt neid peenhäälestatakse, seda parem. "Käesolev teadustöö annab olulise panuse metoodika valideerimiseks mittetasakaaluliste protsesside modelleerimisel ning annab uue tööriista rakenduslikeks uuringuteks ning arendusteks," rõhutas Artur Tamm.

Kui lõppenud töö üks peaeesmärk oli näidata lähenemisviisi kasulikkust tuumareaktorites kasutatavate materjalide uurimisel, siis edasine töö keskendub kõrge ergastusenergiaga seotud protsessidele. Uuring ilmus ajakirjas Science Advances. Eesti teadlastest lõi töö juures kaasa peale Artur Tamme veel Erki Metsanurk Uppsala Ülikoolist.