Es prasselt im Platin Heiße Elektronen machen im Metall Druck

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Ein Team aus Forschern konnte zeigen, dass ultrakurze optische Laserpulse in periodisch geschichteten Metallen extrem schnelle Gitterschwingungen auslösen können ...

In der Studie, die von European XFEL, der Universität Potsdam und von weiteren beteiligten Einrichtungen erarbeitet wurde, wurden nur wenige Nanometer dünne Platin- und Kupferschichten zu einem künstlichen Metallgitter gestapelt. Regt man das Ganze per Laserpuls an, dann beginnt das künstliche Kristallgitter mit etwa einem Terahertz zu schwingen, wie man herausgefunden hat. Rund eine Billion Mal pro Sekunde dehnen sich die Platin-Nanoschichten dabei aus und quetschen die Kupferschichten gleichzeitig zusammen. Diese sofort einsetzende Schwingung ist aber viel zu schnell, um sie durch die Übertragung von Wärmeenergie durch Elektronen – und damit einhergehender Ausdehnung des Kristallgitters – zu erklären. „Das hat uns überrascht“, kommentiert Jan-Etienne Pudell von European XFEL. Die Schwingung entstehe demnach also nicht durch den Druck des aufgeheizten Gitters, sondern durch Elektronendruck – insbesondere im Platinbestandteil.

„Wir sehen hier nicht einfach, dass ein Metall warm wird und sich dabei ausdehnt“, macht Matias Bargheer, Sprecher des Sonderforschungsbereichs SFB 1636 „Elementary Processes of Light-Driven Reactions at Nanoscale Metals“ an der Universität Potsdam, dazu klar. Vielmehr sehe man, dass die Elektronen selbst innerhalb von weniger als einer Billionstelsekunde Druck ausüben und quasi von innen an die Metalloberfläche prasseln. Das sei für die Chemie an Metallen, die wenige Nanometer dünn sind, hochspannend, weil es die Frage nach heißen Elektronen, Wärme und Atombewegung bis hin zu chemischen Reaktionen aus einer neuen Perspektive beleuchte. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass sich solche Prozesse durch Materialwahl und Schichtdicke gestalten lassen, führen die Forscher weiter aus.

Terahertz-Schwingungen per MID-System besser verstehen

Für die Messungen nutzte das internationale Team die Experimentierstation MID (Materials Imaging and Dynamics) bei European XFEL. Das Platin-Kupfer-Gitter wurde dort mit sehr kurzen Laserpulsen in der Größenordnung angeregt und mit ebenso kurzen, aber sehr energiereichen Röntgenpulsen untersucht. Die Röntgenpulse können die Strukturänderungen im Material nämlich direkt auflösen. Damit liefert das Experiment sowohl material- als auch tiefensensitive Informationen. So machen die Experten sichtbar, wie sich die unterschiedlichen Metallschichten nach der Laseranregung verschieben. Die MID-Experimentierstation wurde übrigens genau zur Beantwortung dieser Frage gebaut: Wie bewegen sich Atome und Elektronen in komplexen Materialien, wenn man sie mit Licht aus dem Gleichgewicht bringt? Hier konnte man nun aber nicht nur sehen, dass eine Terahertz-Schwingung entsteht, sondern auch bestimmen, welcher physikalische Mechanismus diese antreibt.

Neue Chancen für Chemie und Physik eröffnet

Für den SFB 1636 seien die Ergebnisse aber besonders relevant, weil der Druck der heißen Elektronen im Platin durch die Reflexion an der Oberfläche und an den Grenzflächen zwischen zwei Metallen entsteht. Der Druck ist dabei ein Maß für das Prasseln der Elektronen an die Oberfläche der Schicht aus Platin, durch die Energie auf Moleküle übertragen werden kann, die an die Oberfläche gebunden sind. Das schaffe eine neue experimentelle und konzeptionelle Verbindung zwischen plasmonischer Chemie (untersucht quantenmäßige Veränderungen der Ladungsdichte in Festkörpern), der Dynamik energetischer Elektronen, dem Wärmefluss und in Sachen ultraschnelle Strukturänderung.

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