Schmelzen ohne Hitze

News: Schmelzen ohne Hitze

Normalerweise führt man einem Festkörper Wärmeenergie hinzu, damit er schmilzt, aber es geht auch anders: Physikern ist es gelungen, eine sehr dünne Kristallschicht allein durch die elektromagnetische Energie eines extrem schnell gepulsten Lasers zu schmelzen, noch bevor Hitze einwirken konnte.

Erwärmt man Eis, so schmilzt es – das kennt jeder. Aber gibt es auch andere Möglichkeiten, einen Phasenübergang zwischen fest und flüssig zu erreichen? Eckhart Förster und Ingo Uschmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena versuchten es mit der elektromagnetischen Energie eines Laserstrahls.

Um eine nichtthermische Schmelze überhaupt sichtbar zu machen, griffen die Physiker zu einem Trick: Einen Teil des Laserstrahls wandelten sie zum Beobachten des Effektes in Röntgenstrahlen um. Diese ließen sie auf den selben Kristall treffen, auf den sie den anderen Teil des Lasers direkt gelenkt hatten.

Herzstücke des Versuchsaufbaus sind die dabei verwendeten gebogenen Kristalle, welche die Röntgenstrahlung auf den zu schmelzenden Kristall leiten. Für das Experiment verwendeten die Jenaer Wissenschaftler einen Quarzkristall, aus dem sie einen maßgeschneiderten Röntgenspiegel angefertigt hatten. Dazu brachten sie eine 0,07 Millimeter dünne Scheibe des Kristalls auf einen gebogenen Träger aus Messing auf. Der Krümmungsradius musste dabei exakt stimmen, um das erwünschte Versuchsergebnis zu erzielen. "Mit Hilfe der Röntgenstrahlen können wir die Bewegung der Atome sichtbar machen, während mit normalem Licht nur die Darstellung optischer Veränderungen möglich ist", beschreibt Ingo Uschmann die Vorteile des Verfahrens.

Der zweite Teilstrahl des Lasers veränderte offenbar durch seine hohe Leistung die Struktur der Kristalloberfläche. Denn eine weniger als ein tausendstel Millimeter dicke Schicht des Kristalls schmolz unter dem Laserstrahl, bevor sie sich erhitzen konnte. Dass ein so kurzer Puls bereits ausreicht, um die Atome an der Kristalloberfläche in Bewegung, und damit das Material zum Schmelzen zu bringen, überraschte selbst die Experten. Denn Hitzentwicklung findet erst nach etwa zehn Picosekunden, also nach zehn Billionstel Sekunden, statt. "Bisher wusste man nicht eindeutig, dass es so etwas wie eine solche nichtthermische, also nicht durch Temperaturerhöhung verursachte Schmelze überhaupt gibt", hebt Förster hervor.

Der Physiker aus der Forschungsgruppe Röntgenoptik der Friedrich-Schiller-Universität arbeitet mit seinem Team bereits seit 15 Jahren mit Lasern, die extrem kurze Lichtpulse aussenden. Inzwischen haben die Jenaer Physiker sich bis zu Pulsdauern von 100 bis 200 Femtosekunden vorgetastet – diese Zeit ist kürzer als der billionste Teil einer Sekunde. "Mit derartig kurz gepulsten Laser- und Röntgenstrahlen kann man quasi in Zeitlupe ultraschnelle Prozesse in der Natur beobachten", so Förster.