25.01.2021 • Nanophysik

Kristallstrukturen in Super-Zeitlupe

Phasenübergang mit extrem hoher Auflösung gefilmt.

Mit lassen sich die Eigen­schaften von Materi­alien gezielt verändern. Dieses Prinzip ermöglicht heute viele weit­ver­breitete Techno­logien wie etwa wieder­beschreib­bare DVDs. Die zugrunde­liegenden Prozesse laufen aller­dings häufig extrem schnell und auf sehr kleinen Längen­skalen ab und lassen sich daher bislang nicht direkt beobachten. Forschern der Uni Göttingen und des MPI für bio­physi­ka­lische Chemie in Göttingen ist es jetzt erst­mals gelungen, die Laser-Umwand­lung einer Kristall­struktur mit Nano­meter-Auf­lösung und in Zeit­lupe in einem Elek­tronen­mikro­skop zu filmen.

Abb.: Künst­le­rische Dar­stel­lung der Ladungs­dichte­welle im...
Abb.: Künst­le­rische Dar­stel­lung der Ladungs­dichte­welle im ultra­schnellen Trans­missions-Elek­tro­nen­mikro­skop. (Bild: F. Sterl, Ster­ltech Opt)

Das Team um Thomas Danz und Claus Ropers nutzte dabei die außer­ge­wöhn­liche Eigen­schaft eines Materials, das aus atomar dünnen Lagen von Schwefel- und Tantal-Atomen auf­ge­baut ist. Bei Raum­tempe­ratur ist dessen Kristall­struktur wellen­förmig verzerrt – es bildet sich eine Ladungs­dichte­welle. Bei höheren Tempe­ra­turen tritt ein Phasen­über­gang auf, bei dem die ursprüng­liche Wellig­keit schlag­artig ver­schwindet. Auch ändert sich dabei drastisch die elek­trische Leit­fähig­keit, ein interes­santer Effekt für die Nano-Elektronik. In ihren Experi­menten riefen die Forscher diesen Phasen­über­gang durch kurze Laser­pulse hervor und filmten die Reaktion der Ladungs­dichte­welle.

„Wir beobachten die schnelle Ausbildung und das Wachstum von kleinsten Regionen, in denen das Material geschaltet wurde“, erläutert Danz. „Mit dem in Göttingen entwickelten ultra­schnellen Trans­missions-Elektronen­mikroskop erreichen wir dabei die bisher höchste Zeit­auf­lösung welt­weit.“ Die Besonder­heit des Experi­ments liege weiterhin in einer neu entwickelten Abbildungs­technik, welche speziell auf den beob­achteten Phasen­über­gang empfind­lich ist. Damit nehmen die Forscher Bilder auf, ausschließ­lich aus Elektronen entstehen, die an der Wellig­keit des Kristalls gestreut wurden.

Ihre Herangehens­weise erlaubt den Forschern grund­legende Einblicke in licht­indu­zierte Struktur­änderungen. „Wir sind bereits heute in der Lage, unsere Abbildungs­technik auf weitere Kristall­strukturen zu über­tragen“, sagt Ropers. „So beantworten wir nicht nur funda­mentale Fragen der Fest­körper­physik, sondern eröffnen auch neue Perspek­tiven für optisch schalt­bare Materi­alien in zukünftiger, intelli­genter Nano-Elektronik.“

GAU / RK

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