Heisser Puls fürs 'Kalte Schmelzen'

Kasseler Physikern ist es gelungen, die mikroskopischen Mechanismen des laserinduzierten "kalten Schmelzens" des Halbleiters InSb zu erklären.


Kassel. Wenn ein ultrakurzer, intensiver Laserpuls in ein Material einstrahlt, entsteht ein neuartiger, in der Natur nicht existierender Zustand, in dem die Elektronen auf Temperaturen von bis zu 30.000 Grad Celsius aufgeheizt werden, d.h., fünfmal höher als die Temperatur auf der Oberfläche unserer Sonne, während die Atome bei Zimmertemperatur "kalt" verbleiben. Die heißen Elektronen sorgen dafür, dass sich die kalten Atome über längere Strecken bewegen. Als Folge wird der Festkörper sofort zur Flüssigkeit. Dieses Phänomen, das nur im Labor produziert werden kann, wird als "kaltes Schmelzen" bezeichnet. Über dessen Ursachen und Verlauf wird seit Jahren kontrovers diskutiert.

Abb.: Verlauf der potenziellen Energie des Halbleiters InSb unter dem Einfluss eines Lasers. Je stärker der Laser, desto mehr werden die Elektronen aufgeheizt und umso weiter verschieben sich die Atome. (Bild: Universität Kassel)

Den Kasseler Physikern Eeuwe Zijlstra, Jessica Walkenhorst und Martin Garcia ist es gelungen, die mikroskopischen Mechanismen des laserinduzierten "kalten Schmelzens" des Halbleiters InSb zu erklären. Dieser ultraschnelle Prozess läuft in einem so kurzen Zeitraum ab, wie das Licht benötigt, um eine Distanz von ca. einem Zehntel Millimeter zurückzulegen, und unterscheidet sich dramatisch vom Schmelzen unter normalen Bedingungen, wenn zum Beispiel ein Eiswürfel oder ein Stück Butter bei Hitze schmilzt. Die in der Arbeitsgruppe Garcia durchgeführten Berechnungen zeigen mit bisher noch nicht erreichter Genauigkeit die Pfade auf, entlang derer sich die Atome kurz nach der Laseranregung fortbewegen, und beenden damit eine Kontroverse über die mikroskopischen Ursachen des "kalten Schmelzens". Ein detailliertes Verständnis laserinduzierter Prozesse ist von großer Bedeutung, da Laser verwendet werden können, um Halbleiter auf unkonventionellem Weg zu manipulieren. Das Phänomen findet Anwendungen in der Materialbearbeitung, Herstellung von mikroskopischen Werkzeugen und Schaltkreisen sowie in der Medizin.


Universität Kassel


Weitere Infos:

• Originalarbeit
  E. S. Zijlstra, J. Walkenhorst and M. E. Garcia, Anharmonic noninertial lattice dynamics during ultrafast nonthermal melting of InSb, Phys. Rev. Lett., 101, 135701 (2008).
• Arbeitsgruppe Martin Garcia
  http://www.cinsat.uni-kassel.de/arbeitsgruppen/ultrakurzzeitphysik/garcia.html
  

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