Materialwissenschaften

Beobachtung von Phasenübergängen an Oberflächen

In vielen Materialien gibt es Übergänge zwischen verschiedenen Kristallstrukturen. Diese verschiedenen „Phasen“ haben häufig sehr unterschiedliche mechanische, elektronische und magnetische Eigenschaften. Forscher an der Uni Göttingen haben jetzt eine neue Methode vorgestellt, mit der die ultraschnelle Umwandlung zwischen solchen Phasen an Oberflächen beobachtet werden kann.

Darstellung des Beugungsmusters von Elektronen, die an einer optisch angeregten Materialoberfläche gestreut werden. Gelb eingefärbte „Berge“ signalisieren hierbei eine wachsende Beugungsintensität, blaue Berge sind dabei zu verschwinden.  

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.

Niedrigenergetische Elektronen-Pulse

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.“

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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, dx.doi.org/10.1038/nphys4309.

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