激光技术揭示了钛的电子行为如何影响其物理性质

横滨国立大学的一个研究小组开发了一种方法来研究钛中电子的取向和行为如何影响其物理特性。他们的研究结果于2024年12月18日发表在《通信物理学》上，可能为开发更先进、更高效的钛合金铺平道路

钛是一种非常有价值的金属，因为它具有出色的耐化学腐蚀性、轻质性和高强度重量比。它的生物相容性使其成为植入物、假肢和人造骨骼等医疗应用的理想选择，而它的强度和耐用性在航空航天和精密制造中非常有用。

为了了解钛的原子和电子是如何产生这些特性的，研究人员使用了一种称为高次谐波产生的过程

“当我们将强烈的红外激光脉冲照射到固体材料上时，该材料内的电子会发出频率高于原始激光束的光信号，”该研究的第一作者、横滨国立大学工程学院的片山郁富美教授解释道。“这些信号有助于我们研究电子的行为以及原子是如何结合的。”

钛和其他金属很难产生高次谐波，因为使它们成为优秀导体的自由电子也会与激光场强烈相互作用，并在材料中屏蔽激光场。”。这削弱了光信号，降低了它们的清晰度，使收集数据变得更加困难

研究人员使用计算机模拟来研究响应激光发出的光信号。他们发现，其中大部分来自在某些称为能带的区域内移动的电子。这些带就像电子可以自由移动的轨道。激光的方向和钛原子的排列方式会影响这些电子的移动和结合方式

钛具有特殊的单轴结构，可以随着合金化而变化，其强度和柔韧性等性能取决于施加力的方向。换句话说，钛的行为因你推或拉它的方向而异。

事实证明，这是因为钛原子的排列方式意味着电子在所有方向上的移动方式不同。当激光照射到钛上时，电子吸收能量的方式会发生变化，从而影响它们在不同方向上的结合方式

研究人员还发现，当电子在不同能带之间移动时，发出的信号更少，这表明电子的行为受到原子排列方式的影响。这种差异决定了这些键是强是弱，从而决定了钛的柔性或韧性。

“通过绘制这些键如何随方向变化，我们可以理解为什么钛具有如此独特的机械性能，”该研究的主要作者、日本宇宙航空研究开发机构的Tetsuya Matsunaga博士说

“这有助于我们了解如何设计更坚固的钛合金，使其在不同条件下工作得更好，这可以帮助为航空、医药和制造业等行业创造更坚固、更有效的材料。”