Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrakurzzeitspektroskopie deckt Einzelschritte von Phasenübergängen auf

04.10.2016

Photoemissionsspektroskopie mit ultrakurzen Röntgenpulsen deckt bisher unbekannten mikroskopischen Mechanismus beim Isolator-Metall-Phasenübergang auf. Durch einen selbstverstärkenden Schmelzprozess - induziert durch photoangeregte Elektronen - wird der isolierende Zustand innerhalb weniger Femtosekunden aufgehoben. Die Arbeit wurde nun in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Phasenübergänge sind Änderungen der Eigenschaften von Materialien, die zum Beispiel bei Temperatur- und Druckänderungen auftreten. Der am besten bekannte Phasenübergang ist der von flüssigem Wasser zu Wasserdampf. Phasenübergänge liegen aber auch in anderen Materialien vor, zum Beispiel wenn sie von einem supraleitenden zu einem normal leitenden Zustand oder von einem Isolator zu einem elektrischen Leiter übergehen. Bei allen diesen Phasenübergängen liegen der Änderung der makroskopischen Eigenschaften diverse mikroskopische Prozesse zugrunde. Bei der Supraleitung ist dies die Bildung von neuen Zuständen aus zwei Elektronen und beim Übergang vom Isolator zum metallischen Leiter ist dies die starke Zunahme der freien Ladungsträger, die bei einer Erwärmung eintritt. Bis vor wenigen Jahren konnte man Phasenübergänge nicht „genügend schnell“ detektieren, um den Zeitablauf dieser mikroskopischen Prozesse zu erkennen. In neuesten Untersuchungen konnten diese Einschränkungen mit Hilfe geeigneter optischer Pulse und mit Röntgenlichtpulsen durchbrochen werden.


Photoemissionsspektren des Titan-Diselenid-Systems

Quelle: Stefan Mathias, Georg-August-Universität Göttingen

Ein internationales Physikerteam aus Kaiserslautern, Göttingen, Kiel sowie Boulder (Colorado, USA) hat sich nun einen Phasenübergang mit sehr hoher Zeitauflösung untersucht. Von dem verwendeten Material, Titan-Diselenid (TiSe2), war bekannt, dass es einen Isolator-Metall-Phasenübergang bei einer Temperatur von circa 200 Kelvin aufweist. Das Team berichtet nun in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications darüber, wie es mit Echtzeitspektroskopie nach einer ultrakurzen optischen Anregung einen Phasenübergang charakterisieren konnte. Mit zeitaufgelöster Photoemissionsspektroskopie mit ultrakurzen Röntgenpulsen konnte die Besetzung von elektronischen Energiezuständen auf Zeitskalen von Femtosekunden (10-15 s) verfolgt werden. Das Material wurde bei Temperaturen, bei denen es als Isolator wirkt, durch einen ultrakurzen Laserpuls sehr schnell auf Temperaturen jenseits des Phasenübergangs aufgeheizt. Die Photoemissionsspektroskopie zeigte dann in Echtzeit, wie der Energieabstand zwischen besetzten und unbesetzten elektronischen Zuständen durch die ultraschnelle Dynamik der angeregten Elektronen zusehends geschlossen wird.

Zentrales Forschungsergebnis ist, dass eine optische Anregung des Materials einen sich selbst verstärkenden Schmelzprozess induziert, der den Übergang von isolierenden in metallischen Zustand erheblich beschleunigt. Nach Anregung von Elektronen über die elektronische Bandlücke hinweg kommt es durch Energieverlust-Prozesse dieser Elektronen zu einer weiteren, sehr starken Ladungsträgermultiplikation. Die Forscher konnten nachweisen, dass diese zusätzlichen Ladungsträger die Energiebandlücke weiter verkleinern, was wiederum den Multiplikationsprozess verstärkt. Mit Hilfe eines theoretisches Modells, das wesentliche Aspekte der elektronischen Dynamik abbildet, konnte dieser selbstverstärkende Effekt als zugrundeliegende Ursache des ultraschnellen Phasenübergangs identifiziert werden.

Die hier erzielten Ergebnisse sind auch unter zwei weiteren Aspekten interessant. Zum einen ist Titan-Diselenid ein komplexes Material, das sich einer Beschreibung als reines Metall oder reiner Isolator/Halbleiter entzieht. Komplexe Materialien haben in den letzten Jahrzehnten sehr stark an Bedeutung gewonnen und werden deshalb auch in der Grundlagenforschung intensiv untersucht. Titan-Diselenid ist deshalb komplex, weil elektronische und Gitterfreiheitsgrade in einer komplizierten Weise gekoppelt sind. Bei tiefen Temperaturen liegt dieses Material in einem sogenannten Ladungsdichtewellen-Zustand vor, bei dem die Kristallstruktur und die elektronische Struktur im Vergleich zu Temperaturen jenseits des Phasenübergangs verändert sind. Zum anderen betritt die Untersuchung von Phasenübergängen auf der hier untersuchten Zeitskala Neuland, weil durch die Anregungsbedingungen Phasen realisiert werden können, die im thermischen Gleichgewicht nicht vorkommen.

Der gefundene Mechanismus wird als universell für eine große Anzahl von Phasenübergangs-Materialien angesehen. Die Forschungsergebnisse eröffnen somit die Perspektive, Einzelschritte des Phasenübergangs gezielt zu kontrollieren und zu manipulieren.

Zentrale Teile der Forschung wurden im Rahmen zweier Sonderforschungsbereiche der Deutschen Forschungsgemeinschaft durchgeführt: SFB 1073 (Kontrolle von Energiewandlung auf atomaren Skalen) und SFB/TRR 173 (Spin+X) sowie dem Landesforschungszentrum OPTIMAS der TU Kaiserslautern. Die beteiligten Teams stammen von der Technischen Universität Kaiserslautern, der Georg-August-Universität Göttingen, der Christian-Albrechts-Universität Kiel sowie der University of Colorado und dem National Institute of Standards in Boulder (Colorado, USA).

Zur Abbildungsreihe: Photoemissionsspektren des Titan-Diselenid-Systems mit hoher Zeitauflösung (Femtosekunden, 10-15 s) ermöglichen, es die Ladungsträgerdynamik während eines optisch angeregten Phasenübergangs mikroskopisch zu untersuchen. In Echtzeit kann man eine ultraschnelle Ladungsträgermultiplikation beobachten und erkennen, wie durch einen selbstverstärkenden Effekt der isolierende Zustand aufgehoben wird. (Quelle: Stefan Mathias, Georg-August-Universität Göttingen)

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Stefan Mathias (Georg-August-Universität Göttingen):
Ultrafast Phenomena, http://www.mathias.physik.uni-goettingen.de
Tel. 0551/ 39 7607; smathias@uni-goettingen.de

Prof. Dr. Martin Aeschlimann (Technische Universität Kaiserslautern):
Ultrafast Phenomena At Surfaces, http://www.physik.uni-kl.de/aeschlimann/home/
Tel. 0631 / 205 2273; ma@physik.un-kl.de

Weitere Informationen:
S. Mathias, S. Eich, J. Urbancic, S. Michael, A.V. Carr, S. Emmerich, A. Stange, T. Popmintchev, T. Rohwer, M.Wiesenmayer, A. Ruffing, S. Jakobs, S. Hellmann, P. Matyba, C. Chen, L. Kipp, M. Bauer, H.C. Kapteyn, H.C. Schneider, K. Rossnagel, M.M. Murnane & M. Aeschlimann:
Self-amplified photo-induced gap quenching in a correlated electron material
Nature Communications 2016, AOP; Doi: 10.1038/ncomms12902


Katrin Müller | Technische Universität Kaiserslautern

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Simulierte Synapsen - TU-Forscher berechnen das neuronale Netz des Gehirns
24.06.2019 | Technische Universität Darmstadt

nachricht Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019
24.06.2019 | Max-Planck-Institut für 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: Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde (VdS) und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Wie im letzten Jahr findet auch 2019 eine in den späten Abendstunden in einer lauen Sommernacht gut zu beobachtende Mondfinsternis statt, und zwar in der Nacht vom 16. auf den 17. Juli. Die Finsternis ist zwar nur partiell - der Mond tritt also nicht vollständig in den Erdschatten ein - es ist aber für die nächsten Jahre die einzige gut sichtbare Mondfinsternis im deutschen Sprachraum.

Am Dienstagabend, den 16. Juli, wird ein kosmisches Schauspiel zu sehen sein: Der Vollmond taucht zu einem großen Teil in den Schatten der Erde ein, es findet...

Im Focus: Fraunhofer IDMT zeigt akustische Qualitätskontrolle auf der Fachmesse für Messtechnik »Sensor + Test 2019«

Das Ilmenauer Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT präsentiert vom 25. bis 27. Juni 2019 am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Stand 5-248) seine neue Lösung zur berührungslosen, akustischen Qualitätskontrolle von Werkstücken und Bauteilen. Da die Prüfung zerstörungsfrei funktioniert, kann teurer Prüfschrott vermieden werden. Das Prüfverfahren wird derzeit gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern im praktischen Einsatz erfolgreich getestet und hat das Technology Readiness Level (TRL) 6 erreicht.

Maschinenausfälle, Fertigungsfehler und teuren Prüfschrott reduzieren

Im Focus: Fraunhofer IDMT demonstrates its method for acoustic quality inspection at »Sensor+Test 2019« in Nürnberg

From June 25th to 27th 2019, the Fraunhofer Institute for Digital Media Technology IDMT in Ilmenau (Germany) will be presenting a new solution for acoustic quality inspection allowing contact-free, non-destructive testing of manufactured parts and components. The method which has reached Technology Readiness Level 6 already, is currently being successfully tested in practical use together with a number of industrial partners.

Reducing machine downtime, manufacturing defects, and excessive scrap

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Meeresleuchten, Klimawandel, Küstenmeere Afrikas – Spannende Vielfalt bei „Warnemünder Abenden 2019“

24.06.2019 | Veranstaltungen

Plastik: Mehr Kreislauf gegen die Krise gefordert

21.06.2019 | Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

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

Molekulare Schere stabilisiert das Zell-Zytoskelett

24.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Neues „Intelligent Edge Data Center“ bringt Smart Industries auf nächstes Level

24.06.2019 | Unternehmensmeldung

Meeresleuchten, Klimawandel, Küstenmeere Afrikas – Spannende Vielfalt bei „Warnemünder Abenden 2019“

24.06.2019 | Veranstaltungsnachrichten

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