Bismuth så på mens han smeltede

Pickup-teknik med stort potentiale for den tidsmæssige opløsning af ultrahastige processer

For at bestemme det nøjagtige tidspunkt for ankomst af røntgenpulsen bruger forskerne en elektro-optisk krystal (grøn), som er placeret ved siden af ​​elektronstrålen (hvid) i den lineære accelerator kort før røntgengenerationen. En laser (rød) angiver ændringerne i krystallen forårsaget af strømmen af ​​elektroner og måler således det nøjagtige tidspunkt, hvor elektronstrålen - og dermed røntgenstrålepulser - ankommer. © Max Planck Institut for Kvanteoptik
læst op

Med røntgenstråler har et internationalt team af forskere for første gang sporet de ændringer, som et fast stof gennemgår lige før smeltning. Målingerne på et relativt simpelt system - en tynd film af vismuthmetallet - blev holdt på, ifølge forskerne i videnskabsmagasinet Science.

Målingen demonstrerer det høje potentiale for den såkaldte excitation-forhørsteknik i den tidsmæssige opløsning af ultrahurtige processer. Ved denne metode indledes først en atomproces i materialet med en ultrashort-lyspuls. De resulterende ændringer bestemmes ved hjælp af yderligere lysimpulser, som rammer objektet i en afstand fra faste tidsforsinkelser.

I dette eksperiment, hvor to forskere fra Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching var involveret, var en 50 nanometer tyk film af vismut med 70 femtosekunder - et femtosekund svarer til 10-15 sekunder - lange lysimpulser fra en titanium safir Laser (nær infrarød) bragt i en meget ophidset tilstand.

Da laserenergien er utilstrækkelig til at smelte materialet, vender atomerne tilbage til deres normale tilstand på mindre end et nanosekund - en milliardels sekund. Forskere omkring David Fritz undersøgte, hvordan solidt tilstandsstrukturen ændres efter ophidselse ved at bombardere filmen med Pulse Sub-Picosecond Pulse Source (SPPS) i Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i Stanford, USA.

Et stopur til laserimpulser

For at være i stand til at rekonstruere processerne nøjagtigt i tide, skal forskerne vide nøjagtigt, hvornår de stimulerende lyspulser eller røntgenpulser rammer materialet. Problemet er, at selv om impulserne på den infrarøde laser kommer i nøjagtigt og pålideligt definerede tidsintervaller, kan røntgenstrålens pulser fra en lineær accelerator ikke kontrolleres så godt. Ved hjælp af en elektrooptisk krystal lykkedes det de to MPQ-forskere, Reinhard Kienberger og Adrian Cavalieri, at udvikle en slags stopur, hvormed de relative ankomsttider for pulserne kunne bestemmes med den krævede nøjagtighed. udstilling

Umiddelbart efter påvirkningen af ​​den spændende laserpuls bliver bindingerne mellem atomerne i det faste stof svagere. Som et resultat kommer atomkernen ud af balance, som en marmor, der hæves fra bunden af ​​en depression til de skrå vægge. Frigivet (dvs. efter laserpulsen) ruller kernen tilbage i midten af ​​depressionen, og inden den sætter sig der - i ligevægt - gør den de mindste vibrationer omkring lavpunktet. Ved hjælp af den ovenfor anførte excitation-forespørgselsteknik bestemte forskerne hyppigheden af ​​disse svingninger. Fra dette var de i stand til at bestemme de kræfter, der holder atomerne sammen, afhængigt af den tid, der er gået siden stimulansen.

Brug FEL som værktøjer

For det første kan et tidsafhængigt "kort" af den potentielle overflade af det faste legeme, hvorfra de indre atomkrafter kommer frem, rekonstrueres. Overraskende kan resultaterne opnået på denne ubalancerede vismuth-film kun forklares med en beskeden ændring, som normalt er potentiel beskriver ligevægtssystemer.

SPPS fungerede som testfeltet for den nye gratis elektronelaser (FEL), Linac Coherent Light Source (LCLS), der nu er bygget på SLAC. Med denne meget mere kraftfulde kilde kan mere komplekse systemer end vismut, som kan spille en nøglerolle på andre områder såsom medicin eller vedvarende energi, studeres på en lignende måde.

Eksperimentet repræsenterer således en milepæl på vej til effektiv anvendelse af fremtidige FEL'er som værktøjer. Forskere ved MPQ og SLAC er lige så interesserede i dette fysikområde.

(idw - Max Planck Institute for Quantum Optics, 12.02.2007 - DLO)