News: Heißer Tanz
Je heißer ein Material, desto heftiger sind die Schwingungen seiner Atome. Deshalb bedarf es schon eines enormen Aufwands, um die schnellen Bewegungen nahe des Schmelzpunkts eines Kristalls sichtbar zu machen.
© (Ausschnitt)
In einem Kristall sind die Atome regelmäßig angeordnet, wobei jedem Atom ein fester Gitterplatz zukommt. Das heißt, so fest sind diese Plätze gar nicht, denn selbst bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts schwingen sie noch ein wenig um ihre Ruhelage.
Führt man Energie zu, beispielsweise durch Erwärmung, pendeln die Atome stärker um ihren angestammten Platz, und beim Erreichen der Schmelztemperatur des Kristalls zerfällt das Gitter schließlich ganz.
"Vor 90 Jahren hatte man festgestellt, dass ein Kristall, der aus einer Atomsorte besteht, kurz vor Erreichen des Schmelzpunkts seine maximale Ausdehnung besitzt. Er dehnt sich um circa zehn Prozent in jede Richtung aus, bezogen auf seine Abmessungen bei tiefster Temperatur. Das ist die so genannte Lindemann-Stabilitätsgrenze", erläutert Eckhart Förster von der Universität Jena. "Auf atomarer Ebene bedeutet dies, dass die Atome um etwa zehn Prozent aus ihrer Ruhelage schwingen."
Diese Schwingungen wollten Wissenschaftler um Klaus Sokolowski-Tinten von der Universität Essen untersuchen und mit möglichst genauer Zeitauflösung feststellen, wie weit sich die Atome in einem Bismut-Einkristall bewegen, bevor sich der Kristall auflöst.
Um jedoch Atomen beim Schwingen zuzusehen und diese Schwingungen sogar zu messen, bedurfte es einer besonderen Messmethode, welche die Forscher in Jena entwickelten. Dazu wurde das Bismut-Einkristallgitter mit einem 120 Femtosekunden kurzen Laserpuls zunächst in einen Schwingungszustand nahe der Lindemann-Stabilitätsgrenze versetzt. Fokussierte Röntgenstrahlen dienten anschließend dazu, die Veränderung, also die Schwingung der Atome, zu vermessen.
Um die Röntgenstrahlung zu erzeugen, richteten die Forscher einen Strahl des gleichen Lasers, der auch den Bismut-Kristall zu Schwingungen anregte, auf einen Titandraht. Dieser verdampfte, wobei ein Plasma entstand, das seinerseits elektromagnetische Strahlung im Röntgenbereich emittierte. "Für eine erfolgreiche Messung müssen Röntgen-Messstrahl und Anregungs-Laserstrahl auf genau dieselbe, 80 Mikrometer große Stelle des Bismut-Kristalls treffen", erklärt Ingo Uschmann aus der Jenaer Arbeitsgruppe.
Zur Fokussierung des Röntgenstrahls benötigten die Essener Kollegen also einen gebogenen Kristall, der wie eine Sammellinse für Röntgenstrahlen wirkt. Uschmann stellte deshalb entsprechend der Eigenschaften der zu beobachtenden Bismut-Atome einen Siliciumkristall her. "Dessen Krümmungen müssen genau stimmen, da sonst die genutzte Röntgenstrahlung nicht, wie berechnet, fokussiert wird und die notwendige hohe Zeitauflösung verloren geht."
Offensichtlich hat die Krümmung gestimmt, denn die Wissenschaftler in Essen stellten fest, dass ein Bismutatom in 467 Femtosekunden einmal um seinen Ruheplatz hin und zurück schwingt, wenn das Gitter mit dem Laser angeregt wird. Durch genaue Einstellung der Energie des Femtosekundenpulses kann man die Auslenkung der Atomschwingung so wählen, dass sie kurz vor der Lindemann-Stabilitätsgrenze des Kristalls liegt. Bei Überschreiten des Grenzwertes – die Atome wurden hierbei um mehr als zehn Prozent beziehungsweise 40 Picometer ausgelenkt – konnte der Röntgenstrahl hingegen keine regelmäßigen Atom-Schwingungen mehr detektieren.
Führt man Energie zu, beispielsweise durch Erwärmung, pendeln die Atome stärker um ihren angestammten Platz, und beim Erreichen der Schmelztemperatur des Kristalls zerfällt das Gitter schließlich ganz.
"Vor 90 Jahren hatte man festgestellt, dass ein Kristall, der aus einer Atomsorte besteht, kurz vor Erreichen des Schmelzpunkts seine maximale Ausdehnung besitzt. Er dehnt sich um circa zehn Prozent in jede Richtung aus, bezogen auf seine Abmessungen bei tiefster Temperatur. Das ist die so genannte Lindemann-Stabilitätsgrenze", erläutert Eckhart Förster von der Universität Jena. "Auf atomarer Ebene bedeutet dies, dass die Atome um etwa zehn Prozent aus ihrer Ruhelage schwingen."
Diese Schwingungen wollten Wissenschaftler um Klaus Sokolowski-Tinten von der Universität Essen untersuchen und mit möglichst genauer Zeitauflösung feststellen, wie weit sich die Atome in einem Bismut-Einkristall bewegen, bevor sich der Kristall auflöst.
Um jedoch Atomen beim Schwingen zuzusehen und diese Schwingungen sogar zu messen, bedurfte es einer besonderen Messmethode, welche die Forscher in Jena entwickelten. Dazu wurde das Bismut-Einkristallgitter mit einem 120 Femtosekunden kurzen Laserpuls zunächst in einen Schwingungszustand nahe der Lindemann-Stabilitätsgrenze versetzt. Fokussierte Röntgenstrahlen dienten anschließend dazu, die Veränderung, also die Schwingung der Atome, zu vermessen.
Um die Röntgenstrahlung zu erzeugen, richteten die Forscher einen Strahl des gleichen Lasers, der auch den Bismut-Kristall zu Schwingungen anregte, auf einen Titandraht. Dieser verdampfte, wobei ein Plasma entstand, das seinerseits elektromagnetische Strahlung im Röntgenbereich emittierte. "Für eine erfolgreiche Messung müssen Röntgen-Messstrahl und Anregungs-Laserstrahl auf genau dieselbe, 80 Mikrometer große Stelle des Bismut-Kristalls treffen", erklärt Ingo Uschmann aus der Jenaer Arbeitsgruppe.
Zur Fokussierung des Röntgenstrahls benötigten die Essener Kollegen also einen gebogenen Kristall, der wie eine Sammellinse für Röntgenstrahlen wirkt. Uschmann stellte deshalb entsprechend der Eigenschaften der zu beobachtenden Bismut-Atome einen Siliciumkristall her. "Dessen Krümmungen müssen genau stimmen, da sonst die genutzte Röntgenstrahlung nicht, wie berechnet, fokussiert wird und die notwendige hohe Zeitauflösung verloren geht."
Offensichtlich hat die Krümmung gestimmt, denn die Wissenschaftler in Essen stellten fest, dass ein Bismutatom in 467 Femtosekunden einmal um seinen Ruheplatz hin und zurück schwingt, wenn das Gitter mit dem Laser angeregt wird. Durch genaue Einstellung der Energie des Femtosekundenpulses kann man die Auslenkung der Atomschwingung so wählen, dass sie kurz vor der Lindemann-Stabilitätsgrenze des Kristalls liegt. Bei Überschreiten des Grenzwertes – die Atome wurden hierbei um mehr als zehn Prozent beziehungsweise 40 Picometer ausgelenkt – konnte der Röntgenstrahl hingegen keine regelmäßigen Atom-Schwingungen mehr detektieren.
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