Forschung

Was Kristalle zusammenhält

28.02.2018 - Neue Methode ermöglicht detaillierte Aus­messung inter­atomarer Kräfte.

Die zeitaufgelöste Messung der atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Licht­pulsen folgen, ermög­lichte es Forschern des MPI für Struktur und Dynamik der Materie, die inter­atomaren Kräfte weitab vom Gleich­gewicht zu messen. Die Messungen gewähren neue Ein­blicke in die mecha­nischen Eigen­schaften von Materie und deren Instabi­lität in der Nähe von Phasen­über­gängen.

Interatomare Kräfte

Abb.: Intensive Laserpulse im mitt­leren Infra­rot treiben die Gitter­schwin­gungen eines Kristalls in das extrem anharmo­nische Regime und erlauben so die Rekon­struk­tion des inter­atomaren Poten­zials. (Bild: J. Harms, MPSD)

Kristalle werden durch extrem starke Kräfte zusammengehalten, die alle ihre ther­mischen und mecha­nischen Eigen­schaften bestimmen. Die Tempe­ratur bei der ein bestimmtes Material schmilzt oder seine Form ver­ändert und seine Druck- und Scher­festig­keit werden durch dieses Kraft­feld bestimmt. Die Kräfte werden routine­mäßig mit aus­ge­feilten theo­re­tischen Methoden berechnet. Bislang konnte jedoch kein Experi­ment diese Berech­nungen quanti­tativ vali­dieren.

Das Team unter der Leitung von Andrea Cavalleri hat jetzt ultrakurze Laser­blitze im mitt­leren Infra­rot­bereich ein­ge­setzt, um Atome weit aus ihrer Gleich­gewichts­anord­nung aus­zu­lenken. Durch die zeit­auf­ge­löste Messung der atomaren Schwin­gungen nach dem Ab­schalten des Impulses konnten die Forscher die Natur der Kräfte rekon­stru­ieren, die einen Kristall im Inner­sten zusammen­halten.

„Wir nutzen starke Laserfelder, um die Atome zu Auslenkungen zu treiben, bei denen ihre Dynamik nicht mehr inner­halb der harmo­nischen Nähe­rung beschrieben werden kann“, erklärt Team-Mitglied Alexander von Hoegen. „In dieser Situa­tion sind die auf die Atome ein­wirkenden Rück­stell­kräfte nicht mehr linear propor­tional zu den Aus­len­kungen aus den Gleich­gewichts­posi­tionen, wie es bei kleinen Schwin­gungen eines Pendels der Fall wäre.“ Diese nicht­lineare Phononik mani­fes­tiert sich beispiels­weise dadurch, dass die Atome nicht mehr nur mit ihrer Eigen­frequenz schwingen, sondern auch mit Ober­tönen dieser Grund­frequenz, den höheren Harmo­nischen.

Die entsprechenden Auslenkungen der Atome aus ihrer Ruhe­lage sind enorm auf der Skala der inter­atomaren Abstände, erreichen jedoch nur wenige Piko­meter. Die Schwin­gungen wurden mit einem zweiten, noch kürzeren Laser­puls verfolgt. Obwohl die Atome mit Geschwin­dig­keiten jenseits von tausend Metern pro Sekunde oszil­lierten, konnte ihre Bewegung in Ultra­zeit­lupe verfolgt werden. Diese zeit­auf­ge­löste Messung war der Schlüssel, mit dem die Kräfte, die auf die Atome wirken, rekon­stru­iert werden konnten. Die Arbeit etab­liert eine neue Art der nicht­linearen Spektro­skopie, die in der Lage ist, eine der grund­legend­sten mikro­sko­pischen Eigen­schaften von Materi­alien zu erfassen. Die Studie unter­streicht die Mög­lich­keiten neuer fort­schritt­licher optischer Quellen und ebnet den Weg zu einer zukünf­tigen, noch auf­schluss­reicheren Reihe von Experi­menten am Freie-Elektronen-Laser XFEL.

MPSD / RK

Die äußerst leisen, kompakten, ölfreien Pumpen

Die Modelle der neuen Scrollpumpenbaureihe HiScroll von Pfeiffer Vacuum sind ölfreie, hermetisch dichte Vakuumpumpen. Die kompakte Bauweise sowie leiser und vibrationsarmer Betrieb zeichnen die Neuentwicklungen besonders aus.

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum in 3D!

 

HiScroll FunktionsVideo

 

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Einen Schritt weiterdenken – die neue Generation der Scrollpumpen:


Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von
Pfeiffer Vacuum.

 

Erfahren Sie mehr über die HiScroll Vakuumpumpen

Korrosion und Korrosionsschutz modellieren - Whitepaper

Ein Whitepaper stellt die grundlegende Theorie hinter den Modellen vor, die Korrosion und Korrosionsschutz beschreiben. Zudem veranschaulicht es, wie diese Modelle zum Verständnis, zur Innovation und zur Optimierung von Bauteilen und Prozessen dienen können, um Korrosion zu minimieren.

Whitepaper lesen!

Die Turbopumpe mit hoher Kompression, speziell für leichte Gase.

Mit der HiPace 700 H präsentiert Pfeiffer Vacuum eine äußerst kompressionsstarke Turbopumpe. Mit einem Kompressionsverhältnis von ≥ 2·10⁷ für Wasserstoff ist sie für die Erzeugung von Hoch- und Ultrahochvakuum geeignet.

 

Mehr Informationen

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Als Ersatz für die bekannte Jobbörse auf den DPG-Frühjahrstagungen 2020 findet eine Virtuelle Jobbörse statt.

Eventbeginn:
16.06.2020 - 14:00
Eventende:
18.06.2020 - 17:00

Mehr Informationen

Korrosion und Korrosionsschutz modellieren - Whitepaper

Ein Whitepaper stellt die grundlegende Theorie hinter den Modellen vor, die Korrosion und Korrosionsschutz beschreiben. Zudem veranschaulicht es, wie diese Modelle zum Verständnis, zur Innovation und zur Optimierung von Bauteilen und Prozessen dienen können, um Korrosion zu minimieren.

Whitepaper lesen!

Die Turbopumpe mit hoher Kompression, speziell für leichte Gase.

Mit der HiPace 700 H präsentiert Pfeiffer Vacuum eine äußerst kompressionsstarke Turbopumpe. Mit einem Kompressionsverhältnis von ≥ 2·10⁷ für Wasserstoff ist sie für die Erzeugung von Hoch- und Ultrahochvakuum geeignet.

 

Mehr Informationen

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Als Ersatz für die bekannte Jobbörse auf den DPG-Frühjahrstagungen 2020 findet eine Virtuelle Jobbörse statt.

Eventbeginn:
16.06.2020 - 14:00
Eventende:
18.06.2020 - 17:00

Mehr Informationen