Swinging Atoms: Ultrakurze Röntgenblitze machen Atombewegungen sichtbar

Das Berliner Max-Born-Institut blickt mit der Femtosekunden- Röntgenbeugung ins Innere einer Nanostruktur - Studie in Science

Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin-Adlershof haben atomare Bewegungen in einer Halbleiternanostruktur sichtbar gemacht. Sie nutzten dafür eine neuartige, durch einen Laser getriebene Quelle für ultrakurze Röntgenimpulse. "Mit unserer Variante der Femtosekunden-Röntgenbeugung können wir Veränderungen in allerkürzester Zeitskala nachverfolgen", erläutert Matias Bargheer, der die Arbeiten gemeinsam mit Michael Wörner, Nikolai Zhavoronkov und Thomas Elsässer durchgeführt hat. Die Wissenschaftler berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science (Bd. 306, 3. Dezember).

Mit Röntgenstrahlen in das Innere von Gegenständen blicken - das geschieht beim Sicherheitscheck am Flughafen ebenso wie in der medizinischen Diagnostik, der Materialprüfung, der Untersuchung alter Kunstwerke und bei der Analyse atomarer und molekularer Strukturen. Dabei entstehen in der Regel statische Aufnahmen: Der Zustand des Objekts wird zu einem bestimmten Zeitpunkt oder gemittelt über ein Zeitintervall dargestellt. Wissenschaftler haben jedoch großes Interesse, den Ablauf von Vorgängen durch eine Sequenz von "Schnappschüssen" zu analysieren. Seit einiger Zeit arbeitet man weltweit daran, ultrakurze Röntgenblitze herzustellen und mit ihnen elementare Abläufe in der Natur aufzuzeichnen, etwa atomare und molekulare Bewegungen oder das Brechen chemischer Bindungen. Derlei Prozesse laufen häufig im Zeitbereich unterhalb einer Pikosekunde ab, das heißt, sie sind kürzer als das Millionstel einer Millionstel Sekunde.

Am MBI gelang es nun, solche Bewegungen in einer Nanostruktur zu verfolgen. Die Struktur besteht - ähnlich wie viele optoelektronische Bauelemente - aus einer regelmäßigen Abfolge dünner Galliumarsenid- und Aluminium-Galliumarsenid-Schichten. Ein ultrakurzer Laserimpuls löst in diesem Schichtpaket Gitterschwingungen aus, also periodische Bewegungen der Atome im Kristallgitter, die durch Beugung eines verzögerten Röntgenimpulses an der schwingenden Struktur abgebildet werden. Die extrem kurze Wellenlänge der harten Röntgenstrahlung erlaubt eine hochpräzise Messung der atomaren Positionen. Durch Variation der Verzögerungszeit zwischen Anregung und Röntgenimpuls wird eine Sequenz von Schnappschüssen im Abstand von zirka 0,1 Pikosekunden aufgenommen. Obwohl die Auslenkung der Atome nur ein Tausendstel ihres gegenseitigen Abstandes beträgt, lässt sich aus diesem "Video" die atomare Bewegung vollständig rekonstruieren. Damit wird der Erzeugungsmechanismus der Gitterschwingungen, im Fachjargon "displacive excitation of coherent phonons", erstmals eindeutig bestimmt. Das bedeutet, dass die Anregung der Elektronen die Gitterschwingungen auslöst und während der Vibration bestehen bleibt.

Die Berliner Forscher demonstrieren in ihrer Arbeit, die auch von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt wurde (Schwerpunktprogramm 1134), eine bisher unerreichte Kombination von räumlicher und zeitlicher Auflösung. Damit wird eine Vielzahl neuer Untersuchungen an Festkörpern und Biomolekülen (in kristallisierter Form) möglich.

In einem nächsten Schritt will die MBI-Gruppe Supraleiter und ihr Verhalten untersuchen. "Womöglich können wir sogar das Henne-Ei- Problem bei Phasenübergängen lösen", sagt Bargheer. Bislang weiß man nämlich nicht, ob sich zunächst das Elektronensystem ändert und sich dann die Positionen der Atomkerne daran anpassen oder ob die Strukturänderung der Kerne das elektronische System zur Veränderung bringt. Weitere grundlegende Phänomene, in denen Elektronen Korrelationen aufweisen, könnten mit der Femtosekunden-Röntgenbeugung näher erforscht werden. Dazu zählt neben der Supraleitung auch der Magnetismus.

Es folgen ausführliche Erläuterungen zu den Abbildungen:

Foto: Experimenteller Aufbau für die Erzeugung ultrakurzer Röntgenblitze

Das Foto zeigt das Innere einer Vakuumkammer, in der ein hochintensiver Laserstrahl (blau) mit einer Sammellinse auf ein dünnes Kupferband in einen extrem kleinen Punkt gebündelt wird (Durchmesser 1/100 Millimeter). Das starke elektrische Feld der Laser-Blitze reißt Elektronen aus der Kupferoberfläche heraus und beschleunigt sie auf ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit. Diese schnellen Elektronen erzeugen dann im Kupferband hochenergetische Röntgenstrahlen nach dem gleichen Prinzip wie in einer konventionellen Röntgenröhre.

Die Lichtwellenlänge dieser Röntgenblitze (1.5 Angström) ist etwa so groß wie der Abstand benachbarter Atome in einem Festkörper, d.h. 3000 mal kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Die Röntgenblitze sind mit 0,1 Pikosekunden ebenso kurz wie die Laserblitze, mit denen sie erzeugt wurden (1 Pikosekunde = 1 Millionstel einer Millionstel Sekunde). Dies entspricht der Verschlusszeit unserer "Röntgenkamera" von 0,1 ps.

Jeder Laserschuss löst eine lokale Mikroexplosion in dem Kupferband aus, die feine Kupferteilchen in alle Richtungen fliegen lässt. Bei tausend Laserschüssen pro Sekunde muss man das Kupferband mit der Geschwindigkeit eines Kassettenrekorders transportieren (goldene Spulen) und die Sammellinse mit einem ebenfalls bewegten Plastikband schützen (schwarze Spulen).

Animation: Swinging Atoms: Kurzfilm über das Schicksal von Atomen in einer Nanostruktur

Der Cartoon zeigt einen kleinen Ausschnitt aus der untersuchten Nanostruktur. Die Akteure in unserem Schauspiel sind regelmäßig angeordnete Galliumatome (blaue Kugeln), Arsenatome (grau) und Aluminiumatome (rot). Sie formen abwechselnde Schichtpakete aus den Halbleiterkristallen Galliumarsenid und Aluminiumarsenid. Zweitausend dieser Schichtpakete sind insgesamt nur ein 30stel Millimeter dick.

In unserem Experiment beschießen wir diesen Gesamtstapel mit einem speziellen Laserblitz, der seine Energie nur in den Galliumarsenidpaketen deponiert, die sich daraufhin ausdehnen. Die Aluminiumarsenidpakete müssen Platz machen und werden zusammengedrückt. Dies Hin und Her der Atome fotografieren wir mit unserer Röntgen-Kamera. Die dargestellte Bewegung ist extrem übertrieben. In Wirklichkeit haben wir mit unserer Röntgenkamera Atomauslenkungen beobachtet, die weniger als ein Tausendstel des Atomabstandes beträgt. Solche kleinen Strecken werden von den Atomen natürlich extrem schnell zurückgelegt. Deswegen muss unsere Kamera auch so schnell sein.