Extrem kleine Atombewegungen werden mittels ultrakurzer Röntgenblitze aufgezeichnet

Ein Kristall ist eine regelmäßige, periodische Anordnung von Atomen oder Ionen, welche über Kräfte zwischen deren Elektronen zusammengehalten werden. Die Atomkerne können Schwingungen um ihre Gleichgewichtspositionen ausführen. Die räumliche Auslenkung der Kerne bei solchen Schwingungen ist viel kleiner als der Abstand zwischen benachbarten Atomen.

Dennoch hat die Schwingungsbewegung eine Rückwirkung auf die Elektronen, in dem sie deren räumliche Verteilung moduliert und damit die elektronischen und optischen Eigenschaften des Kristalls verändert. Diese Prozesse laufen auf einer Zeitskala deutlich unterhalb einer Pikosekunde (ps) statt (1 ps = 10⁻¹² s) ab.

Um solche Effekte zu verstehen und auch anzuwenden, etwa in akusto-optischen Bauelementen, ist eine direkte Abbildung des filigranen Zusammenspiels zwischen Kern- und Elektronenbewegungen auf der Subpikosekunden-Zeitskala wünschenswert.

In der neusten Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review B (Rapid Communication) berichten Forscher vom Max-Born-Institut in Berlin (Deutschland), von den Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology in Dübendorf (Schweiz) und dem National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg (USA) über ein neuartiges Experiment, das es erlaubt einerseits kohärente Atomschwingungen in kleinen LiBH₄ Kristallen gezielt anzuregen und andererseits diese über die modifizierte Röntgenabsorption auszulesen [Abb. 1.]

In den Experimenten regte ein optischer Lichtimpuls (Wellenlänge 800 nm) mittels impulsiver Ramanstreuung ein optisches Phonon an [movie]. Die Atombewegungen dieser Schwingung verändern periodisch die Abstände zwischen Li⁺ und (BH₄)- Ionen. Diese Distanzänderungen modulieren wiederum die räumliche Verteilung der Elektronen im Kristall und damit das Röntgen-Absorptionsspektrum Li⁺-Ionen.

Auf diese Weise transformieren sich die Atomschwingungen in eine oszillatorische Modulation der Röntgenabsorption an der sogenannten Li K-Kante bei Photonenergien von 60 eV. Ultrakurze Röntgenblitze messen damit die Veränderungen der Röntgenabsorption zu verschiedenen Verzögerungszeiten zwischen Anreg- und Abtastimpulsen. Aus dieser Reihe von Schnappschüssen können dann die Atombewegungen rekonstruiert werden.

Das neue experimentelle Konzept ist extrem empfindlich und erlaubte zum ersten Mal Atomschwingungen mit extrem kleinen Amplituden anzustoßen und zu vermessen. Im vorliegenden Fall bewegten sich die Li⁺-Ionen nur eine Strecke von 3 Femtometern = 3 x 10⁻¹⁵ m, eine Länge die etwa dem Durchmesser eines Li+ Atomkerns entspricht. Diese Strecke ist damit 100000 mal kleiner als der Abstand zwischen den Ionen im Kristall.

Die experimentellen Beobachtungen sind in exzellenter Übereinstimmung mit einer detallierten Theorie der Röntgenabsorption. Diese neue Methode auf der Femtosekunden-Zeitskala birgt ein vielversprechendes Potential um das Zusammenspiel zwischen Kern- und Elektronenbewegungen in kondensierter Materie abzubilden und zu verstehen, eine wesentliche Voraussetzung für weitergehende Theorien und Anwendungen in verschiedenen Technologien.

Abb. 1: In einem Röntgen-Absorptionsexperiment regt Licht ein stark gebundenes Rumpfelektron in einen Leitungsbandzustand des Kristalls an, wie auf der linken Seite des der Abbildung gezeigt. Das Rumpfelektron des Li Atoms (grüne Wellenfunktion) wird ins Leitungsband (rote Wellenfunktion) angeregt, welches sowohl mit dem Li Kern als auch mit Borhydridgruppe wechselwirkt. Dieser Zustand reagiert sehr empfindlich auf Abstandsänderungen zwischen den An- und Kationen (siehe auch Abb. 2(b) und 3(d) im Hauptartikel). Auf der rechten Seite sieht man das Lithium K-Kanten-Röntgenabsorptionsspektrum für verschiedene, übertrieben große Schwingungsauslenkungen.

Movie: Was passiert in der Einheitszelle von LiBH₄ Kristallen nachdem eine impulsive Ramananregung mit einem Femtosekunden-Laserimpuls erfolgt ist? Oberes Teilbild: Gemessene, transiente Absorptionsänderung Δ A(t)(Symbole) als Funktion der Verzögerungszeit zwischen infraroten Anreg-Lichtimpulsen und Abtast-Impulsen im weichen Röntgenbereich bei Photonenergien von ħω = 61.5 eV [siehe auch Abb. 3(a) im Hauptartikel]. Die untere Box zeigt die Atome in der Einheitszelle von LiBH₄ Kristallen mit roten Boratomen, grauen Wasserstoffatomen und grünen Lithiumatomen. Der sich bewegende blaue Punkt im oberen Teilbild ist synchronisiert mit den sich bewegenden Atomen in der unteren Box. Die Amplitude der Bewegnung ist um den Faktor 30.000 überzeichnet um die konzertierte Bewegung sichtbar zu machen. Die rötliche Farbe der Einheitszelle zeigt während Impulsüberlapps die Intensität der infraroten Anreg-Lichtimpulse.

Originalpublikation: Physical Review B 95, 081101 (R) (2017)
Ultrafast modulation of electronic structure by coherent phonon excitations
J. Weisshaupt, A. Rouzée, M. Woerner, M. J. J. Vrakking, T. Elsaesser, E. L. Shirley, and A. Borgschulte

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