Fysikere lykkes med at filme faseovergange med ekstrem høj rumlig og tidsmæssig opløsning

Laserstråler kan bruges til at ændre materialers egenskaber på en ekstremt præcis måde. Dette princip er allerede meget brugt i teknologier som genskrivbare dvd'er. Imidlertid, de underliggende processer foregår generelt med så ufatteligt hurtige hastigheder og i så lille skala, at de hidtil har unddraget sig direkte observation. Forskere ved universitetet i Göttingen og Max Planck Institute (MPI) for biofysisk kemi i Göttingen har nu formået at filme, for første gang, lasertransformationen af ​​en krystalstruktur med nanometeropløsning og i slowmotion i et elektronmikroskop. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Holdet, som omfatter Thomas Danz og professor Claus Ropers, udnyttede en usædvanlig egenskab ved et materiale, der består af atomisk tynde lag af svovl- og tantalatomer. Ved stuetemperatur, dens krystalstruktur er forvrænget til små bølgelignende strukturer - en "ladningstæthedsbølge" dannes. Ved højere temperaturer, sker der en faseovergang, hvor de oprindelige mikroskopiske bølger pludselig forsvinder. Den elektriske ledningsevne ændrer sig også drastisk, en interessant effekt for nanoelektronik.

I deres eksperimenter, forskerne inducerede denne faseovergang med korte laserimpulser og optog en film af ladningsdensitetsbølgereaktionen. "Det, vi observerer, er den hurtige dannelse og vækst af små områder, hvor materialet blev skiftet til næste fase, " forklarer førsteforfatter Thomas Danz fra Göttingen Universitet. "Det ultrahurtige transmissionselektronmikroskop udviklet i Göttingen tilbyder den højeste tidsopløsning for sådan billeddannelse i verden i dag." Det særlige ved eksperimentet ligger i en nyudviklet billeddannelsesteknik, som er særligt følsom over for de specifikke ændringer, der observeres i denne faseovergang. Göttingen-fysikerne bruger det til at tage billeder, der udelukkende er sammensat af elektroner, der er blevet spredt af krystallens bølgeform.

Deres banebrydende tilgang giver forskerne mulighed for at få grundlæggende indsigt i lysinducerede strukturelle ændringer. "Vi er allerede i stand til at overføre vores billedteknik til andre krystalstrukturer, siger professor Claus Ropers, leder af nanooptik og ultrahurtig dynamik ved Göttingen Universitet og direktør for MPI for biofysisk kemi. "På denne måde vi besvarer ikke kun grundlæggende spørgsmål inden for faststoffysik, men åbner også op for nye perspektiver for optisk omskiftelige materialer i fremtiden, intelligent nanoelektronik."