Wie wird aus Licht Bewegung in einem Metall? Ein Team aus Forschenden von European XFEL, der Universität Potsdam und weiterer beteiligter Einrichtungen hat gezeigt, dass ultrakurze optische Laserpulse in periodisch geschichteten Metallen extrem schnelle Gitterschwingungen auslösen können – nicht primär durch die Erwärmung des Atomgitters, sondern durch den Druck heißer Elektronen.
In der Studie wurden wenige Nanometer dünne Platin- und Kupferschichten zu einem künstlichen Metallgitter gestapelt. Nach Anregung mit einem Laserpuls begann das künstliche Kristallgitter mit einer Frequenz von etwa einem Terahertz zu schwingen: Rund eine Billion Mal pro Sekunde dehnen sich die Platin-Nanoschichten aus und quetschen die Kupferschichten zusammen. Diese sofort einsetzende Schwingung ist zu schnell, um durch die Übertragung von Wärmeenergie durch Elektronen und damit einhergehender Ausdehnung des Kristallgitters erklärt zu werden. „Das hat uns überrascht“, sagt Jan-Etienne Pudell von European XFEL. „Die Schwingung entsteht nicht durch den Druck des aufgeheizten Gitters, sondern durch Elektronendruck, insbesondere in den Platinschichten.“
„Wir sehen hier nicht einfach, dass ein Metall warm wird und sich ausdehnt“, sagt Matias Bargheer, Sprecher des Sonderforschungsbereichs SFB 1636 „Elementary Processes of Light-Driven Reactions at Nanoscale Metals“ an der Universität Potsdam. „Wir sehen, dass die Elektronen selbst innerhalb von weniger als einer Billionstelsekunde Druck ausüben und also quasi von innen an die Metalloberfläche prasseln. Das ist für die Chemie an Metallen, die wenige Nanometer dünn sind, hochspannend, weil es die Frage nach heißen Elektronen, Wärme und Atombewegung bis hin zu chemischen Reaktionen aus einer neuen Perspektive beleuchtet.“ Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass sich solche Prozesse durch Materialwahl und Schichtdicke gestalten lassen.
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Für seine Messungen nutzte das internationale Team die Experimentierstation Materials Imaging and Dynamics (MID) bei European XFEL. Das Platin-Kupfer-Gitter wurde mit sehr kurzen Femtosekunden-Laserpulsen angeregt und mit ebenso kurzen und sehr energiereichen Röntgenpulsen untersucht. Die Röntgenpulse können die Strukturänderungen im Material direkt auflösen. Damit liefert das Experiment sowohl material- als auch tiefensensitive Informationen und macht sichtbar, wie sich die unterschiedlichen Metallschichten nach der Laseranregung verschieben. „Die MID-Experimentierstation wurde für genau solche Fragen gebaut: Wie bewegen sich Atome und Elektronen in komplexen Materialien, wenn man sie mit Licht aus dem Gleichgewicht bringt?“, sagt Jan-Etienne Pudell. „Hier konnten wir nicht nur sehen, dass eine Terahertz-Schwingung entsteht, sondern auch bestimmen, welcher physikalische Mechanismus sie antreibt.“
Für den SFB 1636 sind die Ergebnisse besonders relevant, weil der Druck der heißen Elektronen im Platin durch die Reflexion an der Oberfläche und an den Grenzflächen zwischen zwei Metallen entsteht. Der Druck ist ein Maß für das Prasseln der Elektronen an die Oberfläche der Platinschicht, durch die Energie auf Moleküle übertragen werden kann, die an die Oberfläche gebunden sind. „Das schafft eine neue experimentelle und konzeptionelle Verbindung zwischen Plasmonischer Chemie, der Dynamik energetischer Elektronen, Wärmefluss und ultraschneller Strukturänderung“, betont Bargheer. [U Potsdam / EuXFEL / dre]
