Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

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STRUKTUR UND EIGENSCHAFTEN DER KONDENSIERTEN MATERIEFestkörper und weiche Materie ergründenDie Festkörperphysik profitiert in ihrer Vielfalt besondersvon den zahlreichen Untersuchungsmöglichkeiten, dieSynchrotronstrahlungsquellen zur Verfügung stellen.Die Festkörperphysik mit ihrer extremen Vielseitigkeit istder Wegbereiter für nahezu alle bisherigen und zukünftigentechnologischen Innovationen – angefangen von der Halbleitertechnologie,der Photovoltaik bis hin zur Informationstechnologie.Die Festkörperforschung analysiert und modelliertdabei die strukturellen, dynamischen, optischen und magnetischenEigenschaften sowie Transportaspekte von geordnetenund ungeordneten Materialien auf verschiedenen Längenskalen.Dabei kommt der Festkörpertheorie eine herausragende Rollezu: Sie erklärt fundamentale Zustände und Phasenübergänge,leitet optische, elektrische und magnetische Eigenschaften abund besitzt durch Simulation der Elektronendichte eine hoheVorhersagekraft für physikalische Parameter.Da auch die weiche Materie in Form von Polymeren, Mizellenund Kolloiden sowie organische Materialien und Flüssigkeitenin zunehmendem Maße in den Fokus der Festkörperforschungrücken, charakterisiert die Bezeichnung „Forschungder kondensierten Materie“ zutreffender die derzeitigenund zukünftigen Aktivitäten dieses Forschungsbereiches als dieältere Bezeichnung „Festkörperforschung“.Trotz der Vielfalt der untersuchten Materialien und ihrer Eigenschaftenkönnen in der heutigen Forschung drei Hauptrichtungenunterschieden werden:• ein vertieftes und fundamentales Verständnis von physikalischenEigenschaften bekannter Materialien,• die Kombination bekannter Materialien zur Erzeugungneuer bahnbrechender Eigenschaften,• die Entwicklung neuer Materialien mit maßgeschneidertenEigenschaften wie photonische Kristalle, Shape-memory-Legierungen, inklusive der Strukturierung durch Top-downoderBottom-up-Verfahren.Die Festkörperforschung benötigt grundsätzlich die gesamtePalette physikalischer Messmethoden, um die vielfältigenFacetten von geordneten oder ungeordneten Materialenauf Längenskalen bestimmen zu können, die vom Makroskopischenzum Nanoskopischen reichen. Bei dieser Analyse spieltdie Synchrotronstrahlung eine entscheidende Rolle, da sieeine besonders große Vielfalt analytischer Methoden zurVerfügung stellt. Zur Strukturbestimmung stehen Beugungsmethoden(XRD, XRR, SAXS, Standing waves), spektroskopischenMethoden (EXAFS) und mikroskopische Methoden (XTM,XPEEM, Holographie) zur Verfügung.Die Elektronenverteilung von Festkörpern sowie Korrelationseffektezwischen Elektronen können über zahlreiche spektroskopischeMethoden bestimmt werden, die vom fernenInfrarot bis zur harten Röntgenstrahlung reichen (THz-Spektroskopie,ARPES, Auger, nukleare Resonanz, etc.). Für magnetischeUntersuchungen ist die Palette der Methoden besondersgroß und umfasst sowohl magnetisch-sensitive resonanteStreumethoden (XRMS) als auch spektroskopische Methoden,mit deren Hilfe die Spin- und Orbital-Komponenten derMagnetisierung quantitativ bestimmbar sind (XMCD). Allediese Methoden können mit komplexen Probenumgebungenwie hohen Magnetfeldern, hohen Drücken und tiefen Temperaturenkombiniert werden.Viele Untersuchungsmethoden erfordern eine Präparationvon Proben im Ultrahochvakuum (in-situ). Darüber hinaus wirdinzwischen eine Reihe von Methoden, die bisher im Laborpraktiziert wurden, an Synchrotronstrahlungsquellen miterhöhter Intensität durchgeführt wie z. B. die Mößbauer-Spektroskopie, die ferromagnetische Resonanz sowie die Infrarot-und Terahertz-Spektroskopie.Weiterhin eröffnet der Vorstoß in bisher nicht erreichbareZeit- und Längendimensionen völlig neue Einblicke in die Strukturund Dynamik von Festkörpern. Z. B. zeigen Echtzeitexperimentemit Auflösungen bis in den Femtosekundenbereich ganzneue Experimentiermöglichkeiten auf, die wiederum zu neuenFragestellungen in der Festkörperphysik führen. Als Beispiel seidie überraschend schnelle Entmagnetisierung bestimmter Metallenach gepulster Anregung genannt, während die Remagnetisierungum Größenordnungen langsamer erfolgt. DerMechanismus dahinter ist noch ungeklärt (siehe Forschungsbeispielrechts).Sehr große Fortschritte sind in den letzten Jahren hinsichtlichder Fokussierung von Synchrotronstrahlung erzieltworden. Daher können im Bereich der Nanobeugung sowie derNanomikroskopie mit Synchrotronstrahlung an Clustern undQuantenpunkten große Fortschritte in der Zukunft erwartetwerden.24 Synchrotronstrahlung 2009
Ultraschnelle EntmagnetisierungDie Forschung mit Synchrotronstrahlung dringt bei derUntersuchung von Magnetisierungen in immer kürzereZeitbereiche vor.Auf dem Gebiet des Magnetismus liegen Grundlagenforschungund technologische Anwendung oft sehr nahe beieinander.Das zeigt beispielsweise die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstandesund dessen heutige Nutzung bei der magnetischenDatenspeicherung.Wichtig für eine weitere Miniaturisierung magnetischerSpeicherelemente ist die Frage nach der kürzesten Zeitskala füreine Umkehr von Nord- und Südpol bei magnetischen Bits.Experimente mit Magnetfeldpulsen von weniger als 2 Pikosekunden(2 billionstel Sekunden) Dauer deuten auf eine Geschwindigkeitsbegrenzungdurch ein nichtdeterministischesVerhalten der magnetischen Momente auf dieser Zeitskala hin,die durch ein Phänomen mit Namen Drehimpulsdissipation gegebenist. Ein noch schnelleres Zeitregime kann durch Heizenmagnetischer Bits mittels Femtosekunden-Laserpulsen im Bereichvon billionstel Sekunden erreicht werden. Hierbei ist einezentrale Fragestellung, auf welcher Zeitskala der Spindrehimpulsder Elektronen auf die Atome des Gitters übertragen werdenkann. Eine solche ultraschnelle Entmagnetisierung vonferromagnetischen Materialien ist unter dem Namen Einsteinde-Haas-Prozessbekannt.Der Einsatz von hundert Femtosekunden kurzen Röntgenpulsenmit variabler Polarisation erlaubte es erstmalig, die zeitlicheEvolution von Spin- und Orbitalmomenten auf derFemtosekunden-Zeitskala zu verfolgen. Dabei gehören die Nutzungdes sogenannten Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) unddie Anwendung von Summenregeln seit nunmehr fast zweiJahrzehnten zu den Standardwerkzeugen, die es Experimentatorenan Synchrotronstrahlungsquellen ermöglichen, Spin- undOrbitalmomente elementspezifisch zu bestimmen.Seit Inbetriebnahme der Femtosekunden-Slicing-Quelle beiBESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materie und Energieist es nun erstmals möglich, die Anwendung dieser Methodeauf ultrakurze Zeitskalen auszudehnen. Ein Forscherteam umHermann Dürr untersuchte auf diese Weise die Entmagnetisierungvon Nickel und fand heraus, dass dies bei einer charakteristischenZeitkonstante von nur 120 Femtosekunden erfolgt.Die Arbeiten wurden in Nature Materials veröffentlicht. DasErgebnis belegt, dass sowohl Spin- als auch Bahndrehimpulsaus dem elektronischen System abgegeben werden. Die erstaunlichkurze Zeitkonstante von nur 120 Femtosekundenliegt im Bereich der kürzesten Gitterschwingungsdauern unddeutet auf eine starke, noch unverstandene Spin-Gitter-Kopplung hin.Durch die kontinuierliche Verbesserung der Femtosekunden-Slicing-Quellesowie der zukünftigen Inbetriebnahme neuartigerFreie-Elektronen-Laser wird es erstmals möglich sein,ähnliche Prozesse auch in komplizierteren Materialen zu untersuchen,deren Funktionalität wie Hochtemperatursupraleitung,kollosalem Magnetwiderstand oder Ferroelektrizität durchstarke Kopplung von elektronischen, Spin- und Gitterfreiheitsgradenbestimmt ist.Abbildung unten:XMCD-Signal (L3-Kante) einer 15 Nanometer dicken Nickelschicht in Abhängigkeitder Zeit nach dem Heizen mit Hilfe eines Femtosekunden-Lasers.Die durchgezogene Linie ergibt sich aus einem Modell, mit dessen Hilfe dieEntmagnetisierungszeit zu 120 ± 70 Femtosekunden bestimmt werden kann.Die Messungen wurden mit 100 Femtosekunden kurzen Röntgenpulsen an derFemtosekungen-Slicing-Quelle von BESSY II durchgeführt.Abbildung:Schematische Darstellungder Femtosekunden-Slicing-Quellebei BESSY II.Ein Femtosekunden-Laserwirkt derart auf die Elektronenpaketeein, dassFemtosekunden-Röntgenpulseerzeugt werden können.Im Experiment desTeams um Herrmann Dürrwurde die Probe von einemTeil des Laserpulsesmagnetisch angeregt.Mit Hilfe der Röntgenpulsewurden diese angeregtenZustände dann über eineschnelle Photodiode nachgewiesen.Durch einerotierende Scheibe, denChopper, konnte bestimmtwerden, ob die Probe imangeregten oder im nichtangeregtenZustand vermessenwerden soll.WissenschaftlicheVeröffentlichung:C. Stamm, T. Kachel,N. Pontius, R. Mitzner,T. Quast, K. Holldack,S. Khan, C. Lupulescu,H. A. Dürr, W. Eberhardt:Femtosecond modificationof electron localization andtransfer of angular omentumin nickel. Nature Materials2007/6:740-743Synchrotronstrahlung 2009 25
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