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06.11.2017 17:00

Ultraschnelle Ordnung auf der atomaren Skala

Romas Bielke Öffentlichkeitsarbeit
Georg-August-Universität Göttingen

    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 „Phasen“ haben häufig sehr unterschiedliche mechanische, elektronische und magnetische Eigenschaften. Forscher der Universität Göttingen stellen nun in der Fachzeitschrift Nature Physics eine neue Methode vor, mit der die ultraschnelle Umwandlung zwischen solchen Phasen an Oberflächen beobachtet werden kann.

    Nr. 225/2017 – Sperrfrist: Montag, 6. November 2017, 17 Uhr MEZ

    Ultraschnelle Ordnung auf der atomaren Skala
    Göttinger Physiker entwickeln Methode zur Beobachtung von Phasenübergängen an Oberflächen

    (pug) 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 „Phasen“ haben häufig sehr unterschiedliche mechanische, elektronische und magnetische Eigenschaften. Forscher der Universität Göttingen stellen nun in der Fachzeitschrift Nature Physics eine neue Methode vor, mit der die ultraschnelle Umwandlung zwischen solchen Phasen an Oberflächen beobachtet werden kann.

    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 Prof. Dr. Claus Ropers am IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen hat nun eine Methode entwickelt, mit der Phasenumwandlungen in Super-Zeitlupe aufgenommen werden können.

    In den vom Europäischen Forschungsrat (ERC) 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 Elektronen-Pulse, die somit sehr empfindlich auf die ersten atomaren Lagen sind. Simon Vogelgesang, Doktorand und Erstautor der Studie, 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 Prof. Dr. 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 sogenannten 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.

    Originalveröffentlichung: S. Vogelgesang et al: Phase ordering of charge density waves traced by ultrafast low-energy electron diffraction. Nature Physics 2017, http://dx.doi.org/10.1038/nphys4309

    Kontakt:
    Prof. Dr. Claus Ropers und Simon Vogelgesang
    Georg-August-Universität Göttingen
    Fakultät für Physik – IV. Physikalisches Institut
    Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
    Telefon (0551) 39-4549 und 39-19897
    E-Mail: claus.ropers@uni-goettingen.de und simon.vogelgesang@uni-goettingen.de
    Internet: http://www.uni-goettingen.de/de/91116.html


    Weitere Informationen:

    http://www.uni-goettingen.de/de/3240.html?cid=5971
    http://dx.doi.org/10.1038/nphys4309


    Bilder

    Im Labor: Vorne eine Ultrahochvakuumanlage zur Elektronenstreuung, hinten ein Femtosekunden-Lasersystem zur Erzeugung von Elektronen-Pulsen.
    Im Labor: Vorne eine Ultrahochvakuumanlage zur Elektronenstreuung, hinten ein Femtosekunden-Lasersys ...
    Foto: K.E. Priebe
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    Illustration des atomaren Gitters einer Oberfläche, in dem durch einen Laserpuls eine Phasenumwandlung ausgelöst wird.
    Illustration des atomaren Gitters einer Oberfläche, in dem durch einen Laserpuls eine Phasenumwandlu ...
    Universität Göttingen
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    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten
    Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
    überregional
    Forschungsergebnisse
    Deutsch


     

    Im Labor: Vorne eine Ultrahochvakuumanlage zur Elektronenstreuung, hinten ein Femtosekunden-Lasersystem zur Erzeugung von Elektronen-Pulsen.


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    Illustration des atomaren Gitters einer Oberfläche, in dem durch einen Laserpuls eine Phasenumwandlung ausgelöst wird.


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