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 Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
17.07.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

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: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

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

Europaweit erste Patientin mit neuem Hybridgerät zur Strahlentherapie behandelt

19.07.2018 | Medizintechnik

Waldrand oder mittendrin: Das Erbgut von Mausmakis unterscheidet sich je nach Lebensraum

19.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Automatisiertes Befüllen von Regalen im Einzelhandel

19.07.2018 | Verkehr Logistik

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