Ein Forschungsteam des European XFEL und der Universität Potsdam untersuchte ultrakurze optische Laserpulse in periodisch geschichteten Metallen. Diese Pulse lösen extrem schnelle Gitterschwingungen aus. Die Ursache liegt nicht primär in der Erwärmung des Atomgitters. Vielmehr treibt der Druck heißer Elektronen diesen Prozess an. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Terahertz-Schwingungen durch Elektronendruck
Für die Studie wurden wenige Nanometer dünne Platin- und Kupferschichten zu einem künstlichen Metallgitter gestapelt. Nach der Laseranregung schwang das Kristallgitter mit etwa einem Terahertz. Rund eine Billion Mal pro Sekunde dehnen sich die Platin-Nanoschichten aus. Dabei quetschen sie die Kupferschichten zusammen. Diese sofort einsetzende Schwingung ist für eine reine thermische Ausdehnung zu schnell. „Das hat uns überrascht“, sagt Jan-Etienne Pudell. „Die Schwingung entsteht nicht durch den Druck des aufgeheizten Gitters, sondern durch Elektronendruck, insbesondere in den Platinschichten.“
Implikationen für die Nanochemie
„Wir sehen hier nicht einfach, dass ein Metall warm wird und sich ausdehnt“, sagt Matias Bargheer, „Elementary Processes of Light-Driven Reactions at Nanoscale Metals“ an der Universität Potsdam. „Wir sehen, dass die Elektronen selbst innerhalb von weniger als einer Billionstelsekunde Druck ausüben und also quasi von innen an die Metalloberfläche prasseln. Das ist für die Chemie an Metallen, die wenige Nanometer dünn sind, hochspannend, weil es die Frage nach heißen Elektronen, Wärme und Atombewegung bis hin zu chemischen Reaktionen aus einer neuen Perspektive beleuchtet.“ Die Resultate zeigen zudem neue Steuerungsoptionen. Solche Prozesse lassen sich gezielt durch die Materialwahl und die Schichtdicke gestalten.
Strukturaufklärung mittels Femtosekunden-Röntgenanalytik
Die Messungen erfolgten an der Experimentierstation MID (Materials Imaging and Dynamics) des European XFEL. Das Platin-Kupfer-Gitter wurde mit Femtosekunden-Laserpulsen (10−15 Sekunden) angeregt.
Die Analytik erfolgte über ebenso kurze, energiereiche Röntgenpulse. Diese Pulse lösen strukturelle Materialänderungen direkt zeitlich auf.
Das Experiment liefert material- und tiefensensitive Informationen. Es visualisiert die Verschiebung der unterschiedlichen Metallschichten nach der Laseranregung. „Die MID-Experimentierstation wurde für genau solche Fragen gebaut: Wie bewegen sich Atome und Elektronen in komplexen Materialien, wenn man sie mit Licht aus dem Gleichgewicht bringt?“, sagt Jan-Etienne Pudell. „Hier konnten wir nicht nur sehen, dass eine Terahertz-Schwingung entsteht, sondern auch bestimmen, welcher physikalische Mechanismus sie antreibt.“
Für den SFB 1636 besitzen die Erkenntnisse einen hohen Stellenwert. Der Druck der heißen Elektronen entsteht durch Reflexion an den Grenzflächen. Dieser Elektronendruck ermöglicht einen Energietransfer. Die Energie kann direkt auf oberflächengebundene Moleküle übertragen werden. „Das schafft eine neue experimentelle und konzeptionelle Verbindung zwischen Plasmonischer Chemie, der Dynamik energetischer Elektronen, Wärmefluss und ultraschneller Strukturänderung“, betont