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Strukturforschung: Ultrakurze Röntgenimpulse ermöglichen Einblick beim Schmelzvorgang

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat bei der Erforschung von Schmelzvorgängen bislang Unsichtbares sichtbar gemacht: Durch den Einsatz neuester Technik am Linearbeschleuniger SLAC in Stanford (USA) konnten sie jetzt durch extrem kurze Röntgenimpulse erstmals Atome beim Schmelzen in Echtzeit beobachten.

Laserbestrahlter Halbleiter | Röntgenbeugungsbild einer laserbestrahlten Indium-Antimonid-Oberfläche: Wo der Femtosekunden-Laserimpuls (rotes Oval) das Material angeregt hat, ist ein sehr schnelles Verschwinden der Röntgenbeugung zu beobachten. Dies gilt als Nachweis für den Übergang von der geordneten Festphase in die ungeordnete Flüssigkeit.
Als Exempel diente den Forschern um den Experimentalphysiker Klaus Sokolowski-Tinten von der Universität Jena das schnelle laserinduzierte Schmelzen eines Halbleiters (Indium-Antimonid), das mit Hilfe der so genannten Sub-Picosecond Pulse Source (SPPS) untersucht wurde. SPPS ist die erste Beschleuniger-basierte Röntgenquelle, mit der es möglich ist, Röntgenimpulse von weniger als 100 Femtosekunden zu erzeugen. Ohne diese Technik wäre dieses Experiment unmöglich gewesen, weil laserinduziertes Schmelzen in rasantestem Tempo abläuft.

Beim Wechsel von fest zu flüssig spielt dem Experiment zufolge offenbar die Geschwindigkeit eine Rolle, die Atome vor dem Laserimpuls hatten. Durch den Laserimpuls werden die Bindungen der Atome untereinander zwar schlagartig gelöst, aber sie setzen zunächst einfach ihrer Trägheit folgend ihre Bewegung fort als hätte es keinen Laserimpuls gegeben. Das Material befinde sich dabei in einem Zwischenzustand, beschreibt der Jenenser Spezialist für Ultrakurzzeit-Röntgenphysik seine Beobachtungen.

Mit ihren Experimenten haben die Forscher nicht nur etwas Neues über das schnelle Schmelzen gelernt, sondern auch gezeigt, dass man mit Beschleuniger-Röntgenquellen wirklich im Ultrakurzzeitbereich experimentieren kann. Deshalb hat das Experiment an der SPPS nach Ansicht der Forscher einen wesentlichen Pilotcharakter für die Milliarden-schweren Freie-Elektronenlaser-Projekte LCLS (ebenfalls bei SLAC in Stanford) und XFEL beim DESY in Hamburg. Mit diesen Lichtquellen der vierten Generation wollen Forscher in Zukunft chemische Reaktionen filmen, die atomare Struktur von Molekülen entschlüsseln und dreidimensionale Aufnahmen aus der Nanowelt machen.

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