Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laserpulse helfen Forschern, komplexe Elektronenwechselwirkungen zu entflechten

20.12.2016

Zeitaufgelöste „Stop-Motion“-Aufnahmen und anspruchsvolle theoretische Simulationen enthüllen eine ungewöhnliche Form von Energieverlust

Die Eigenschaften komplexer Quanten-Materialien zu verstehen, ist eines der bedeutendsten Ziele der Physik kondensierter Materie und der Materialwissenschaften, da Effekte wie Hochtemperatursupraleitung zu einer Vielzahl von Anwendungen führen könnten.


Ein Laserpuls regt ein Material an; ein zweiter Puls schießt Elektronen heraus, die zum Detektor fliegen. Diese Bilder erlauben es Forschern, fundamentale Wechselwirkungen in Festkörpern zu verstehen.

© Brian Moritz / SLAC

Nun hat ein internationales Team von Wissenschaftlern, zu dem auch Emmy Noether-Gruppenleiter Michael Sentef vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL in Hamburg gehört, eine neue lasergetriebene „Stop-Motion“-Methode für die Untersuchung komplexer Elektronenwechselwirkungen unter dynamischen Bedingungen vorgestellt. Es wird erwartet, dass die Erkenntnisse, welche heute in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, das Verständnis der physikalischen Prozesse verbessern, die zu emergenten Phänomenen in stark korrelierten Materialien führen.

Wissenschaftler, die Hochtemperatursupraleiter erforschen – Materialien, die elektrischen Strom bei Kühlung unter eine bestimmte Temperatur ohne Energieverlust transportieren – sind seit jeher auf der Suche nach Wegen, um die Elektronenwechselwirkungen, welche für diese vielversprechende Eigenschaft verantwortlich gemacht werden, detailliert zu untersuchen. Eine große Herausforderung liegt darin, die vielen unterschiedlichen Wechselwirkungen zu entwirren – also beispielsweise die Effekte der Wechselwirkung der Elektronen untereinander von den Effekten ihrer Wechselwirkungen mit den Atomen im Material zu trennen.

In der aktuellen Studie verwendeten die Forscher einen sehr schnellen, intensiven „Pump“-Laser, um Elektronen einen Energiestoß zu geben, und einen zweiten „Probe“-Laser, um das Energieniveau der Elektronen und ihre Bewegungsrichtung zu vermessen während sie in ihren Ausgangszustand zurückkehren. „Durch Variation der Zeit zwischen dem Pump- und dem Probe-Laser können wir eine stroboskopische Aufnahme des Geschehens erstellen – einen Film des Materials vom Ruhezustand über die heftige Wechselwirkung bis hin zur Rückkehr in den Ausgangszustand“, sagte Jonathan Rameau, Physiker am Brookhaven National Laboratory und einer der Hauptautoren der Arbeit. „Es ist als ließe man eine Bowlingkugel in einen Wassereimer fallen, um eine große Störung zu erzeugen, und machte zu verschiedenen Zeiten danach Aufnahmen“, erklärte er.

Diese Methode, bekannt als zeit- und winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (time-resolved, angle-resolved photoelectron spectroscopy, tr-ARPES), in Kombination mit komplexen theoretischen Simulationen und Analyse, erlaubte es dem Team, die Reihenfolge und die energetischen Signaturen verschiedener Arten von Elektronenwechselwirkungen herauszufiltern. So gelang es ihnen, eindeutige Signale von Wechselwirkungen zwischen angeregten Elektronen (welche sich schnell abspielen, aber nicht viel Energie zerstreuen) sowie später stattfindenden zufälligen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und den Atomen des Kristallgitters (welche Reibung erzeugen und zu schrittweisem Energieverlust in Form von Wärme führen) zu selektieren.

Aber sie entdeckten auch ein anderes, unerwartetes Signal – das ihrer Aussage nach eine neue Form extrem effizienten Energieverlustes darstellt – bei einem bestimmten Energieniveau und einer Zeitskala zwischen den anderen beiden.

„Wir sehen eine sehr starke und besondere Wechselwirkung zwischen den angeregten Elektronen und dem Gitter, bei der die Elektronen einen Großteil ihrer Energie sehr schnell auf kohärente, nichtzufällige Weise verlieren“, sagte Rameau. Bei diesem speziellen Energieniveau scheinen die Elektronen alle mit den Gitteratomen bei einer bestimmten Frequenz zu wechselwirken – wie eine Stimmgabel, die auf ihrer Resonanz einen Ton spielt. Wenn alle Elektronen, welche die richtige Energie für diese spezielle Wechselwirkung besitzen, den Großteil ihrer Anregungsenergie abgegeben haben, beginnen sie langsamer zu kühlen, und zwar mittels zufälligerer Prozesse, die nicht die Resonanzfrequenz benötigen. Die Resonanzfrequenz dieses Prozesses ist besonders bemerkenswert, da sie mit der Energie eines „Knickes“ in der Energiedispersion desselben Materials übereinstimmt, der zuvor in seinem supraleitenden Zustand mittels einer statischen Form von ARPES gefunden worden war.

Zu jener Zeit vermuteten die Wissenschaftler, dass der Knick etwas mit der Supraleitung des Materials zu tun haben könnte. Dasselbe Signal wurde oberhalb der kritischen Sprungtemperatur für Supraleitung nicht eindeutig nachgewiesen. Die neuen Experimente jedoch, die deutlich oberhalb der supraleitenden Temperatur durchgeführt wurden, konnten das subtile Signal herauskitzeln. Diese neuen Ergebnisse legen nahe, dass diese speziellen Umstände für die Resonanz existieren, selbst wenn das Material nicht supraleitend ist. „Wir wissen jetzt, dass die Wechselwirkung für die Resonanz nicht erst einsetzt, wenn das Material supraleitend wird; sie ist tatsächlich immer vorhanden“, sagte Rameau.

Michael Sentef, der die experimentellen Aktivitäten durch numerische Simulationen ergänzte, betonte den Einfluss dieser Arbeit auf das Feld der „Pump-Probe“-Spektroskopie. „Diese Arbeit zeigt deutlich, dass wir Fortschritte im theoretischen Verständnis von Systemen fern des thermischen Gleichgewichts gemacht haben, so dass wir jetzt quantitative Vorhersagen treffen können“, sagte er. „Diese Einsicht ist eine große Motivation für künftige Projekte, in denen wir uns mit noch komplexeren Situationen beschäftigen, zum Beispiel wenn Laserpulse genutzt werden, um supraleitungsartige Zustände bei hohen Temperaturen zu erzeugen“, ergänzte Sentef. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit [Mitrano et al., Nature 530, 461–464 (2016)] beobachtete ein Team um MPSD-Direktor Andrea Cavalleri lichtinduzierte supraleitungsartige Eigenschaften in dem Material K3C60.

Ansprechpartner:

Dr. Michael A. Sentef
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6552
michael.sentef@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:

J. D. Rameau, S. Freutel, A. F. Kemper, M. A. Sentef, J. K. Freericks, I. Avigo, M. Ligges, L. Rettig, Y. Yoshida, H. Eisaki, J. Schneeloch, R. D. Zhong, Z. J. Xu, G. D. Gu, P. D. Johnson, and U. Bovensiepen, "Energy Dissipation from a Correlated System Driven Out of Equilibrium," Nature Communications (2016), DOI: 10.1038/ncomms13761

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/ncomms13761 Originalpublikation
http://dx.doi.org/10.1038/nature16522 Mitrano et al., Nature 530, 461–464 (2016)
http://www.mpsd.mpg.de/forschung/theo Forschungsgruppe von Prof. Dr. Angel Rubio
http://www.mpsd.mpg.de Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Dr. Michael Grefe | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht cw-Wert wie ein Lkw: FH Aachen testet Weihnachtsbaum im Windkanal
20.11.2017 | FH Aachen

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Anwender-Workshops „Laserbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen“

20.11.2017 | Seminare Workshops

Hand aufs Herz - was wissen wir über herzgesunde Lebensmittel?

20.11.2017 | Unternehmensmeldung

Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

20.11.2017 | Materialwissenschaften