{"id":29124,"date":"2022-08-03T09:13:21","date_gmt":"2022-08-03T07:13:21","guid":{"rendered":"https:\/\/www.vdsm.net\/wronline\/?p=29124"},"modified":"2022-08-03T09:15:21","modified_gmt":"2022-08-03T07:15:21","slug":"ultraschnelle-oberflaechenprozesse-beobachtet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.vdsm.net\/wronline\/ultraschnelle-oberflaechenprozesse-beobachtet\/","title":{"rendered":"Ultraschnelle Oberfl\u00e4chenprozesse beobachtet"},"content":{"rendered":"

Forschungserfolg in der Physik. Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter der Leitung von European XFEL und der Universit\u00e4t Siegen hat erstmals gezeigt, dass die intensiven Pulse eines R\u00f6ntgenlasers genutzt werden k\u00f6nnen, um ultraschnelle Prozesse, die auf und direkt unter Materialoberfl\u00e4chen ablaufen, mit bisher unerreichter Tiefen- und Zeitaufl\u00f6sung zu untersuchen. Damit k\u00f6nnen die Forschenden Prozesse erfassen, die mehr als eine Milliarde Mal schneller sind als das, was bisher auf diesem Gebiet beobachtet werden konnte. Die Ergebnisse, die das Team in der Fachzeitschrift Physical Review Research ver\u00f6ffentlicht hat, ebnen den Weg f\u00fcr vielf\u00e4ltige Anwendungen, die auf dem Verst\u00e4ndnis von ultraschnellen Prozessen auf Oberfl\u00e4chen beruhen. Beispiele daf\u00fcr sind die Laserbearbeitung von Materialoberfl\u00e4chen zur Schaffung ma\u00dfgeschneiderter Strukturen im Nanoma\u00dfstab oder die Realisierung kompakter laserbasierter Teilchen- oder Strahlungsquellen.<\/p>\n

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R\u00f6ntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall an einer mehrschichtigen Probe, gemessen mit einzelnen R\u00f6ntgenpulsen des SACLA-R\u00f6ntgenlasers in Japan. Der zentrale schwarze Kreis ist eine Strahlblende, die verwendet wurde, um den direkt gespiegelten Strahl abzudecken, der deutlich intensiver ist als das Streumuster. Das Muster enth\u00e4lt Information zum tiefenaufgel\u00f6sten Dichteprofil (horizontale Achse) und zur Oberfl\u00e4chenstruktur (vertikale Achse).<\/p><\/div>\n

Mit Hilfe intensiver Laserpulse lassen sich winzige Oberfl\u00e4chenstrukturen im Nanobereich mit optimierten optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften erzeugen. Solche ma\u00dfgeschneiderten Strukturen spielen eine entscheidende Rolle auf vielen Gebieten mit erheblicher gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Auswirkung. Sie k\u00f6nnen zur Herstellung antimikrobieller Beschichtungen, zur Verbesserung der Verbindung von Zahnimplantatschrauben mit dem Knochen und zum Bau fortschrittlicher, besonders widerstandsf\u00e4higer optischer Komponenten verwendet werden. Um diese Strukturen besser herstellen und ihre Auswirkungen verstehen zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen Forschende zun\u00e4chst die ultraschnellen Prozesse beobachten und verstehen, die beim Auftreffen der intensiven Femtosekundenlaserpulse ablaufen, die bei der Oberfl\u00e4chenbearbeitung eingesetzt werden.<\/p>\n

\u201eAn Synchrotronstrahlungsquellen ist die Zeitaufl\u00f6sung solcher Oberfl\u00e4chenuntersuchungen bisher auf wenige Millisekunden, also tausendstel Sekunden beschr\u00e4nkt\u201c, erkl\u00e4rt Lisa Randolph, Postdoktorandin an der Universit\u00e4t Siegen und Erstautorin der Studie. \u201eWir haben jetzt gezeigt, dass man mit einzelnen R\u00f6ntgenlaserpulsen auf Pikosekunden, also billionstel Sekunden springen kann \u2013 das entspricht einer mehr als eine Milliarde Mal besseren Zeitaufl\u00f6sung. Und dank unseres speziellen Aufbaus, bei dem die R\u00f6ntgenstrahlen in einem flachen Winkel, im sogenannten streifenden Einfall, auf die Materialoberfl\u00e4che treffen, k\u00f6nnen wir die Prozesse auf und direkt unter der Oberfl\u00e4che mit einer Tiefenaufl\u00f6sung im Nanometerbereich beobachten.\u201c<\/p>\n

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Im Experiment verwendete mehrschichtige Proben. Jede Probe hat eine Gr\u00f6\u00dfe von 4 x 7 mm. Nach jeder Laserbestrahlung wird eine neue Probe verwendet.<\/p><\/div>\n

Der technologische Durchbruch gelang dem Team am SACLA-R\u00f6ntgenlaser in Japan durch die Kombination der oberfl\u00e4chensensitiven Kleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall mit den von SACLA erzeugten R\u00f6ntgenpulsen. Diese neuartige Methode erm\u00f6glichte es den Forschenden, die ultraschnellen Ver\u00e4nderungen des Dichteprofils an und unter der Oberfl\u00e4che, die durch einen auf das Material auftreffenden Laserpuls ausgel\u00f6st werden, mit einer r\u00e4umlichen Aufl\u00f6sung von Nanometern (milliardstel Meter) und einer zeitlichen Aufl\u00f6sung von Pikosekunden (billionstel Sekunden) zu beobachten. Um die beteiligten Prozesse besser zu verstehen, verglich das Team anschlie\u00dfend die experimentellen Ergebnisse mit den Daten aus Simulationsmodellen. \u201eUnsere experimentellen Daten stellen modernste Plasmasimulationsmodelle in Frage\u201c, berichtet Mohammadreza Banjafar, Doktorand von European XFEL und der Technischen Universit\u00e4t Dresden und Zweitautor der Studie. \u201e\u00dcberraschenderweise sagen die weit verbreiteten hydrodynamischen Simulationen die in unseren Experimenten gemessene Dichtedynamik nicht korrekt voraus.\u201c Sogenannte Particle-in-Cell-Simulationen hingegen, die bisher als unzureichend galten, um solch intensive Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie zu beschreiben, zeigten eine deutlich bessere \u00dcbereinstimmung mit dem Experiment.<\/p>\n

\u201eAllerdings fehlen auch in diesen Particle-in-Cell-Simulationen noch viele physikalische Effekte\u201c, sagt Motoaki Nakatsutsumi von European XFEL, der das Experiment koordinierte. \u201eUnsere Methode wird dazu beitragen, die Modellierung von Laser-Festk\u00f6rper-Wechselwirkungen weiter zu verbessern und neue Anwendungen daf\u00fcr zu entwickeln.\u201c Insbesondere erwarten die Forschenden, dass die beispiellosen M\u00f6glichkeiten, die ihre neue Technik bietet, neue Perspektiven f\u00fcr die Lasermaterialbearbeitung und die Forschung mit hohen Energiedichten er\u00f6ffnen werden.<\/p>\n

Text und Fotos: Universit\u00e4t Siegen<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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