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 Der überraschend schnelle Fall des Felix Baumgartner
14.12.2017 | Technische Universität München

nachricht Eine blühende Sternentstehungsregion
14.12.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Im Focus: First-of-its-kind chemical oscillator offers new level of molecular control

DNA molecules that follow specific instructions could offer more precise molecular control of synthetic chemical systems, a discovery that opens the door for engineers to create molecular machines with new and complex behaviors.

Researchers have created chemical amplifiers and a chemical oscillator using a systematic method that has the potential to embed sophisticated circuit...

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltrekord: Jülicher Forscher simulieren Quantencomputer mit 46 Qubits

15.12.2017 | Informationstechnologie

Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke

15.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen

15.12.2017 | Energie und Elektrotechnik