Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Good vibrations feel the force

23.02.2018

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der MPSD-Gruppe, die interatomaren Kräfte weitab vom Gleichgewicht zu messen. Diese Messungen gewähren neue Einblicke in die mechanischen Eigenschaften von Materie und deren Instabilität in der Nähe von Phasenübergängen.


Intensive Laserpulse im mittleren Infrarot ermöglichen es Gitterschwingungen eines Kristalls in das extrem anharmonische Regime zu treiben. In diesem Fall oszillieren die Atome nicht nur mit ihrer Eigenfrequenz, sondern auch mit Obertönen, den so genannten höheren Harmonischen. Die Messung dieser Bewegung fernab des Gleichgewichts erlaubt die Rekonstruktion des interatomares Potentials. Bild copyright: Joerg Harms, MPSD

Kristalle werden durch extrem starke Kräfte zusammengehalten, die alle ihre thermischen und mechanischen Eigenschaften bestimmen. Die Temperatur bei der ein bestimmtes Material schmilzt oder seine Form verändert und seine Druck- und Scherfestigkeit werden durch dieses "Kraftfeld" bestimmt.

Dies ist die Grundlage jeder Lehrbuch-Beschreibung eines Materials. Sie wird routinemäßig mit ausgefeilten theoretischen Methoden berechnet. Bislang konnte jedoch kein Experiment diese Berechnungen quantitativ validieren oder zumindest das Kraftfeld messen.

In einer aktuellen Studie der MPSD-Gruppe unter der Leitung von Andrea Cavalleri wurden ultrakurze Laserblitze im mittleren Infrarotbereich eingesetzt, um Atome weit aus ihrer Gleichgewichtsanordnung auszulenken. Durch die zeitaufgelöste Messung der atomaren Schwingungen nach dem Abschalten des Impulses konnte die MPSD-Forschungsgruppe die Natur der Kräfte rekonstruieren, die einen Kristall im Innersten zusammenhalten.

„Wir nutzen starke Laserfelder, um die Atome zu Auslenkungen zu treiben, wo ihre Dynamik nicht mehr innerhalb der harmonischen Näherung beschrieben werden kann“, erklärt Alexander von Hoegen, Doktorand am MPSD und Erstautor dieses Beitrags.„In dieser Situation sind die auf die Atome einwirkenden Rückstellkräfte nicht mehr linear proportional zu den Auslenkungen aus den Gleichgewichtspositionen, wie es bei kleinen Schwingungen eines Pendels der Fall wäre.“

Diese nichtlineare Phononik manifestiert sich z.B. dadurch, dass die Atome nicht mehr nur mit ihrer Eigenfrequenz schwingen, sondern auch mit Obertönen dieser Grundfrequenz, so genannten höheren Harmonischen, wie in dieser Studie beobachtet wurde.

Die entsprechenden Auslenkungen der Atome aus ihrer Ruhelage sind enorm auf der Skala der interatomaren Abstände, erreichen jedoch nur wenige Pikometer – ein Millionstel eines Milliardstel-Meters. Diese Schwingungen wurden mit einem zweiten, noch kürzeren, Laserpuls verfolgt. Obwohl die Atome mit Geschwindigkeiten jenseits von 1.000 m/s oszillierten, konnte ihre Bewegung in ultra-Zeitlupe verfolgt werden. Diese zeitaufgelöste Messung war der Schlüssel, mit dem die Kräfte, die auf die Atome wirken, rekonstruiert werden konnten.

Diese Arbeit des MPSD etabliert eine neue Art der nichtlinearen Spektroskopie, die in der Lage ist, eine der grundlegendsten mikroskopischen Eigenschaften von Materialien zu erfassen. Die Studie unterstreicht die Möglichkeiten neuer fortschrittlicher optischer Quellen und ebnet den Weg zu einer zukünftigen, noch aufschlussreicheren Reihe von Experimenten am Hamburger Freie Elektronen Laser (XFEL).

Die Arbeit wurde durch den ERC Synergy Grant „Frontiers in Quantum Materials’ Control” (Q-MAC), den Exzellenzcluster „The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging“ (CUI), sowie den Sonderforschungsbereich “Light induced Dynamics and Control of Correlated Quantum Systems” ermöglicht.

Erweiterte Bildunterschrift:
Intensive Laserpulse im mittleren Infrarot ermöglichen es Gitterschwingungen eines Kristalls in das extrem anharmonische Regime zu treiben. In diesem Fall oszillieren die Atome nicht nur mit ihrer Eigenfrequenz, sondern auch mit Obertönen, den so genannten höheren Harmonischen. Die Messung dieser Bewegung fernab des Gleichgewichts erlaubt die Rekonstruktion des interatomares Potentials. Bild copyright: Joerg Harms, MPSD

Kontakte:
Alexander von Hoegen
+49-(0)40-8998-6551 / alexander.von-hoegen@mpsd.mpg.de

Prof. Andrea Cavalleri
+49 (0)40 8998 5354 / andrea.cavalleri@mpsd.mpg.de

Jenny Witt
Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit
+49 (0)40 8998-6593 / pr@mpsd.mpg.de

Weitere Informationen:

https://dx.doi.org/10.1126/science.aan3438 Originalpublikation
http://qcmd.mpsd.mpg.de/ Webseite der Forschungsgruppe um Prof. Andrea Cavalleri

Dr. Joerg Harms | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neuer Blick auf molekulare Prozesse
21.11.2018 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Wie aus Staub Planeten entstehen
21.11.2018 | Technische Universität Braunschweig

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: Erste Diode für Magnetfelder

Innsbrucker Quantenphysiker haben eine Diode für Magnetfelder konstruiert und im Labor getestet. Das von den Forschungsgruppen um den Theoretiker Oriol Romero-Isart und den Experimentalphysiker Gerhard Kirchmair entwickelte Bauelement könnte eine Reihe neuer Anwendungen ermöglichen.

Elektrische Dioden sind wichtige elektronische Bauteile, die elektrischen Strom in eine Richtung leiten, die Stromleitung in der anderen Richtung aber...

Im Focus: First diode for magnetic fields

Innsbruck quantum physicists have constructed a diode for magnetic fields and then tested it in the laboratory. The device, developed by the research groups led by the theorist Oriol Romero-Isart and the experimental physicist Gerhard Kirchmair, could open up a number of new applications.

Electric diodes are essential electronic components that conduct electricity in one direction but prevent conduction in the opposite one. They are found at the...

Im Focus: Millimeterwellen für die letzte Meile

ETH-Forscher haben einen Modulator entwickelt, mit dem durch Millimeterwellen übertragene Daten direkt in Lichtpulse für Glasfasern umgewandelt werden können. Dadurch könnte die Überbrückung der «letzten Meile» bis zum heimischen Internetanschluss deutlich schneller und billiger werden.

Lichtwellen eigenen sich wegen ihrer hohen Schwingungsfrequenz hervorragend zur schnellen Übertragung von Daten.

Im Focus: Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

Max-Planck-Forscher entdecken die Nanostruktur von molekularen Zügen und den Grund für reibungslosen Transport in den „Antennen der Zelle“

Eine Zelle bewegt sich ständig umher, tastet ihre Umgebung ab und sendet Signale an andere Zellen. Das ist wichtig, damit eine Zelle richtig funktionieren kann.

Im Focus: Nonstop Tranport of Cargo in Nanomachines

Max Planck researchers revel the nano-structure of molecular trains and the reason for smooth transport in cellular antennas.

Moving around, sensing the extracellular environment, and signaling to other cells are important for a cell to function properly. Responsible for those tasks...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Podiumsdiskussion zur 11. Internationalen MES-Tagung in Hannover hochkarätig besetzt

21.11.2018 | Veranstaltungen

Hüftprothese: Minimalinvasiv oder klassisch implantieren? Implantatmodell wichtiger als OP-Methode

21.11.2018 | Veranstaltungen

Personalisierte Implantologie – 32. Kongress der DGI

19.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Blick auf molekulare Prozesse

21.11.2018 | Physik Astronomie

Wechsel zu Carbon Infrarot-Strahlern von Heraeus halbiert die Trocknungszeit für Siebdruck auf T-Shirts

21.11.2018 | Energie und Elektrotechnik

Wie aus Staub Planeten entstehen

21.11.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics