Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrakurze Laserpulse: Kasseler Physiker bringen Atome zum Tanzen

11.02.2013
Kasseler Physiker haben synchronisierte Kollektivbewegungen von Atomen in laserangeregtem Silizium entdeckt. Die Ergebnisse könnten für die Materialbearbeitung mit Lasern von großer Bedeutung sein.

Jeder Festkörper besteht aus positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen. Die Elektronen sind sehr viel leichter als die Atomkerne und können sich daher im Festkörper viel schneller bewegen und ihre Positionen unverzüglich einnehmen.

Diese Eigenschaft der Elektronen wirkt wie eine Art Kleber, der die Atome zusammenhält. Dieser Kleber ist es auch, der darüber entscheidet, wie sich die Atome in einem Kristall anordnen.

Ein Forschungsteam der Universität Kassel hat nun eine neue Möglichkeit entdeckt, diesen Klebeeffekt zu manipulieren und ihn sich damit für die Materialbearbeitung zunutze zu machen. Dr. Eeuwe Zijlstra, Dr. Alan Kalitsov, Tobias Zier und Prof. Dr. Martin Garcia berechneten dafür das Verhalten der Elektronen unter dem Einfluss ultrakurzer Laserpulse von moderater Intensität.

Wenn ein Laserpuls von der Dauer einer billionstel Sekunde die Elektronen anregt, werden diese heiß und ändern dadurch ihre Klebeeigenschaften. Eine Anregung mit einem sehr intensiven Laserpuls kann dazu führen, dass die Klebefunktion teilweise verschwindet, sodass der Festkörper schmilzt. „Dieser Prozess wird ultraschnelles Schmelzen genannt und unterscheidet sich vollkommen von dem alltäglichen thermischen Schmelzen, ungefähr so wie ein Lottogewinn vom regelmäßigen Sparen“, formuliert es Dr. Zijlstra. Die Zeitskalen und die Effekte seien grundverschieden.

Während der für die Materialbearbeitung wichtige Prozess des ultraschnellen Schmelzens schon bekannt ist, widmeten sich die Kasseler Wissenschaftler der Frage: Wie reagieren die Atome auf Laserpulse, deren Intensität nicht ausreicht, das Material zum Schmelzen zu bringen? Um diese Frage zu beantworten, wählten die Kasseler Wissenschaftler das für die Industrie unverzichtbare Element Silizium und führten mit Hilfe eines in der Arbeitsgruppe Garcia entwickelten Computerprogramms namens CHIVES mehrere Simulationen von einigen hundert Atomen durch. Die Auswertung der Berechnungen ergab, dass die Atome sich synchronisiert im Kollektiv bewegen, ähnlich wie beim Formationstanzen. Die Amplitude der Atombewegung ist periodisch größer bzw. kleiner als im Gleichgewicht. Man nennt diesen Effekt thermal squeezing.

Des Weiteren konnten die Wissenschaftler einen Zusammenhang zwischen dem thermal squeezing bei niedrigen Intensitäten und dem ultraschnellen Schmelzen bei hohen Intensitäten finden: Bestimmte Klebe-Eigenschaften behalten die Elektronen sowohl beim squeezing als auch beim Schmelzen bei. Dadurch wird eine weitere Lücke im Verständnis von Laseranregung mit ultrakurzen Pulsen geschlossen.

Nach Ansicht der Kasseler Physiker wird die neu gewonnene wissenschaftliche Erkenntnis, die durch die Veröffentlichung in der renommierten Zeitschrift Physical Review X
(http://prx.aps.org/abstract/PRX/v3/i1/e011005) der Allgemeinheit frei zur Verfügung steht, sehr nützlich für die Lasermaterialbearbeitung sein. So öffnen diese Ergebnisse neue Möglichkeiten, nichtthermisches Schmelzen zu steuern, etwa um ein Material mit Strukturen zu versehen. Darüber hinaus kann man auf der Basis von zeitaufgelösten Röntgenbeugungsexperimenten mit Hilfe dieser Theorie eindeutig entscheiden, welche Materialien thermisch und welche nicht thermisch schmelzen.

Bild unter http://www.uni-kassel.de/uni/fileadmin/datas/uni/presse/lokalpresse/atome.JPG
Bildunterschrift: Die Kasseler Physiker (v.l.) Tobias Zier, Dr. Eeuwe Zijlstra und Prof. Dr Martin Garcia. Foto: Grigoryan/Uni Kassel

Info:
Prof. Dr. Martin Garcia
Universität Kassel
FB 10 – Mathematik und Naturwissenschaften
Institut für Physik
Forschungsgruppe Festkörper und Ultrakurzzeitphysik
Tel.: +49 561 804 4006
E-Mail: garcia@physik.uni-kassel.de

Dr. Guido Rijkhoek | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-kassel.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

nachricht Sternenstaub reist häufiger in Meteoriten mit als gedacht
15.08.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

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: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten den „anderen Hochtemperatur-Supraleiter“

Eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) geleitete Studie zeigt, dass Supraleitung und Ladungsdichtewellen in Verbindungen der wenig untersuchten Familie der Bismutate koexistieren können.

Diese Beobachtung eröffnet neue Perspektiven für ein vertieftes Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung, ein Thema, welches die Forschung der...

Im Focus: Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal "Science Advances" publiziert.

Die Quantenmechanik beschreibt sehr erfolgreich das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Masse- und Längenskalen. Die offensichtliche Unvereinbarkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

Anbausysteme im Wandel: Europäische Ackerbaubetriebe müssen sich anpassen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Einblicke in die Welt der Trypanosomen

16.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Maschinensteuerung an Anwender: Intelligentes System für mobile Endgeräte in der Fertigung

16.08.2017 | Informationstechnologie

Komfortable Software für die Genomanalyse

16.08.2017 | Informationstechnologie