Was Kristalle zusammenhält

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.

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