Gode ​​vibrationer mærker kraften

En gruppe forskere ledet af Andrea Cavalleri ved Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Hamburg har demonstreret en ny metode, der muliggør præcise målinger af de interatomiske kræfter, der holder krystallinske faste stoffer sammen. Papiret undersøger faststoffers interatomiske potentiale ved ikke-lineær fononik med stærke felter, udgivet online i Natur , forklarer, hvordan en terahertz-frekvens laserpuls kan drive meget store deformationer af krystallen. Ved at måle de meget usædvanlige atombaner under ekstreme elektromagnetiske transienter, MPSD -gruppen kunne rekonstruere, hvor stive atombindinger er i store afstande fra ligevægtsarrangementerne. Dette lover ny indsigt i materiens mekaniske egenskaber og deres ustabilitet nær faseændringer.

Krystaller holdes sammen af ​​ekstremt stærke kræfter, som bestemmer alle deres termiske og mekaniske egenskaber. Den temperatur, ved hvilken et bestemt materiale smelter eller ændrer form, og materialets modstandsdygtighed over for tryk og forskydning af forskydninger bestemmes alle af dette 'kraftfelt'. Det er grundlaget for enhver lærebogsbeskrivelse af et materiale og beregnes rutinemæssigt ved hjælp af sofistikerede teoretiske metoder. Stadig, indtil nu kunne intet eksperiment kvantitativt validere disse beregninger eller i det mindste måle kraftfeltet.

I en nylig undersøgelse foretaget af MPSD -gruppen ledet af Andrea Cavalleri, ultrakorte laserblink ved mid-infrarøde frekvenser blev brugt til at flytte atomer langt væk fra deres ligevægtsarrangement. Ved at måle, hvordan de samme atomer fik til at ringe, efter at impulsen var blevet slukket, MPSD -forskergruppen kunne rekonstruere arten af ​​de kræfter, der holder krystallen sammen.

"Vi bruger stærke laserfelter til at drive atomerne til forskydninger, hvor deres dynamik ikke længere kan beskrives inden for den harmoniske tilnærmelse, "forklarer Alexander von Hoegen, doktorgrad ved MPSD og første forfatter af dette papir. "I denne situation, de genoprettende kræfter, der virker på atomerne, er ikke længere lineære proportionale med forskydningerne fra ligevægtspositionerne, som de ville være i tilfælde af små svingninger i et pendul. "

Sådanne ikke -lineære fononer manifesteres f.eks. Ved, at atomerne ikke kun svinger ved deres naturlige frekvens, men også ved flere overtoner, de såkaldte højere harmoniske observeret i denne undersøgelse.

De tilsvarende atomforskydninger, enorm på omfanget af de interatomiske afstande, er ikke desto mindre kun af størrelsesordenen få pikometre, det er en milliontedel af en milliarddel af en meter. Vibrationerne blev sporet med et sekund, endnu kortere laserpuls. Selvom atomer viste sig at svinge med hastigheder over 1000 m/s, deres bevægelse kunne spores i ultra-slowmotion. Denne tidsopløste måling var nøglen til at rekonstruere de kræfter, der virker på atomerne.

Dette arbejde fra MPSD etablerer en ny type ikke -lineær spektroskopi, der fanger en af ​​de mest grundlæggende mikroskopiske egenskaber ved materialer, understreger kraften i nye avancerede optiske kilder og baner vejen til en fremtid, endnu mere indsigtsfuld klasse af eksperimenter på Hamburg X-ray Free Electron Laser.