Phasenumwandlungen in Super-Zeitlupe

  • 07. November 2017

Neue Methode zur Beobachtung von Phasen­übergängen an Ober­flächen entwickelt.

Phasen­umwandlungen gehören zu den alltäg­lichen physi­kalischen Phäno­menen, die uns beim Schmelzen, Gefrieren, Verdampfen oder Konden­sieren begegnen. Änderungen des Aggregat­zustandes sind jedoch nur eine spezielle Form der Phasen­umwandlung; in vielen Materialien gibt es darüber hinaus auch Übergänge zwischen verschiedenen Kristall­strukturen. Diese verschie­denen Materie­zustände haben häufig sehr unter­schiedliche mechanische, elek­tronische und magne­tische Eigen­schaften. Forscher der Univer­sität Göttingen stellen nun eine neue Methode vor, mit der die ultra­schnelle Umwandlung zwischen solchen Phasen an Ober­flächen beobachtet werden kann.

Abb.: Illustration des atomaren Gitters einer Oberfläche, in dem durch einen Laserpuls eine Phasenumwandlung ausgelöst wird. (Bild: U. Göttingen)

Abb.: Illustration des atomaren Gitters einer Oberfläche, in dem durch einen Laserpuls eine Phasenumwandlung ausgelöst wird. (Bild: U. Göttingen)

Umwand­lungen zwischen ver­schiedenen kristal­linen Strukturen sind von großer techno­logischer Bedeutung, zum Beispiel bei der Härtung von Stahl oder bei der Entwicklung neuer, schalt­barer Materialien. Eine funda­mentale Frage betrifft dabei die Art und Weise, wie genau der Übergang zwischen zwei sehr geordneten, aber grund­sätzlich verschie­denen Phasen abläuft. Um diese teils sehr schnellen Prozesse zu beobachten, wird die atomare Struktur von Fest­körpern abgetastet. Die Arbeits­gruppe von Claus Ropers hat nun eine Methode entwickelt, mit der Phasen­umwandlungen in Super-Zeitlupe aufge­nommen werden können.

In den vom Euro­päischen For­schungsrat geförderten Experi­menten werden ultra­kurze Elektronen-Pulse an Festkörpern gestreut, um Schnapp­schüsse der atomaren Ordnung an der Ober­fläche aufzu­nehmen. Die Besonderheit des neuen Ansatzes liegt in der niedrigen Energie der Elek­tronenpulse, die somit sehr empfindlich auf die ersten atomaren Lagen sind. Doktorand Simon Vogel­gesang erläutert: „Die Reali­sierung dieser Art der Elektronen­streuung mit kurzen Pulsen ist sehr anspruchs­voll. Unsere Arbeits­gruppe musste dazu die weltweit kleinsten ultra­schnellen Elektronen­kanonen entwickeln.“

Die neuen Möglich­keiten wurden zunächst an einem Material erprobt, das in der Gruppe von Kai Ross­nagel von der Univer­sität Kiel herge­stellt wurde. „In unseren Experi­menten konnten wir beobachten, dass während des Übergangs zwischen zwei geordneten Phasen eine sehr kurze Zeit­spanne mit viel Unordnung und einer hohen Dichte struk­tureller Defekte vor­herrscht“, erläutert Ropers. „Diese topo­logischen Defekte und ihre Rolle in Phasen­umwandlungen sind schon seit langer Zeit von großem Interesse.“ Zukünftig wollen die Göttinger Physiker die zeitliche Auf­lösung weiter erhöhen und die Methodik auf eine breite Klasse von Prozessen an Ober­flächen anwenden.

U. Göttingen / JOL

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