26.01.2021 - Georg-August-Universität Göttingen

Kristallstrukturen in Super-Zeitlupe

Erstmals einen Phasenübergang mit extrem hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung gefilmt

Laserstrahlen können genutzt werden, um die Eigenschaften von Materialien gezielt zu verändern. Dieses Prinzip ermöglicht heute weitverbreitete Technologien wie die wiederbeschreibbare DVD. Die zugrundeliegenden Prozesse laufen allerdings häufig unvorstellbar schnell und auf so kleinen Längenskalen ab, dass sie sich nicht direkt beobachten lassen. Forschern der Universität Göttingen und des Max-Planck-Instituts (MPI) für biophysikalische Chemie in Göttingen ist es nun erstmals gelungen, die Laser-Umwandlung einer Kristallstruktur mit Nanometer-Auflösung und in Zeitlupe in einem Elektronenmikroskop zu filmen.

Das Team um Thomas Danz und Prof. Dr. Claus Ropers nutzte dabei eine außergewöhnliche Eigenschaft eines Materials, welches aus atomar dünnen Lagen von Schwefel- und Tantal-Atomen aufgebaut ist. Bei Raumtemperatur ist dessen Kristallstruktur wellenförmig verzerrt - es bildet sich eine „Ladungsdichtewelle" aus. Bei höheren Temperaturen tritt ein sogenannter Phasenübergang auf, bei dem die ursprüngliche Welligkeit schlagartig verschwindet. Auch ändert sich dabei drastisch die elektrische Leitfähigkeit, ein interessanter Effekt für die Nano-Elektronik.

In ihren Experimenten riefen die Forscher diesen Phasenübergang durch kurze Laserpulse hervor und filmten die Reaktion der Ladungsdichtewelle. „Wir beobachten die schnelle Ausbildung und das Wachstum von kleinsten Regionen, in denen das Material geschaltet wurde", erläutert Erstautor Thomas Danz von der Universität Göttingen. „Mit dem in Göttingen entwickelten ultraschnellen Transmissions-Elektronenmikroskop erreichen wir dabei die bisher höchste Zeitauflösung weltweit." Die Besonderheit des Experiments liege weiterhin in einer neu entwickelten Abbildungstechnik, welche speziell auf den beobachteten Phasenübergang empfindlich ist. Damit nehmen die Göttinger Physiker Bilder auf, die sich ausschließlich aus Elektronen zusammensetzen, die an der Welligkeit des Kristalls gestreut wurden.

Ihre Herangehensweise erlaubt den Forschern grundlegende Einblicke in lichtinduzierte Strukturänderungen. „Wir sind bereits heute in der Lage, unsere Abbildungstechnik auf weitere Kristallstrukturen zu übertragen", sagt Prof. Dr. Claus Ropers, Arbeitsgruppenleiter am IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen und Direktor am MPI für biophysikalische Chemie. „So beantworten wir nicht nur fundamentale Fragen der Festkörperphysik, sondern eröffnen auch neue Perspektiven für optisch schaltbare Materialien in zukünftiger, intelligenter Nano-Elektronik."

Georg-August-Universität Göttingen

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