Forscher erfassen seltsames Verhalten von laserangeregtem Gold

Neue Forschungen, die am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums durchgeführt wurden, beleuchten das seltsame Verhalten von Gold, wenn es mit hochenergetischen Laserpulsen bearbeitet wird.

Wenn bestimmte Materialien wie Silizium einer intensiven Laseranregung ausgesetzt werden, zerfallen sie schnell. Doch Gold bewirkt das Gegenteil: Es wird härter und widerstandsfähiger. Dies liegt daran, dass sich die Art und Weise, wie die Goldatome zusammen schwingen – ihr Phononenverhalten – ändert.

„Unsere Ergebnisse stellen frühere Erkenntnisse in Frage, indem sie zeigen, dass Metalle wie Gold unter bestimmten Bedingungen stärker werden können, anstatt zu schmelzen, wenn sie intensiven Laserpulsen ausgesetzt werden“, sagte Adrien Descamps, ein Forscher an der Queen’s University Belfast, der die Forschung während seines Studiums leitete Student in Stanford und SLAC. „Das steht im Gegensatz zu Halbleitern, die instabil werden und schmelzen.“

Jahrzehntelang deuteten Simulationen auf die Möglichkeit dieses Phänomens hin, das als Phononenhärtung bekannt ist. Mit der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC haben die Forscher nun endlich diese Phononenverhärtung ans Licht gebracht. Das Team hat veröffentlicht ihre Ergebnisse in Wissenschaftliche Fortschritte.

„Es war eine faszinierende Reise, zu sehen, wie unsere theoretischen Vorhersagen experimentell bestätigt wurden“, sagte Mitarbeiterin Emma McBride, Forscherin an der Queen’s University Belfast, die zuvor Panofsky-Stipendiatin in der Abteilung High Energy Density Science (HEDS) des SLAC war. „Die Präzision, mit der wir diese Phänomene jetzt am LCLS messen können, ist erstaunlich und eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Forschung in der Materialwissenschaft.“

In ihrem Experiment zielte das Team mit optischen Laserpulsen auf dünne Goldfilme im Experimentierstall „Matter in Extreme Conditions“ und nutzte dann superschnelle Röntgenpulse von LCLS, um Schnappschüsse auf atomarer Ebene zu machen, wie das Material reagierte. Dieser hochauflösende Einblick in die atomare Welt des Goldes ermöglichte es den Forschern, subtile Veränderungen zu beobachten und den Moment festzuhalten, in dem seine Phononenenergien anstiegen, was konkrete Beweise für die Phononenverhärtung lieferte.

„Wir haben am LCLS Röntgenbeugung eingesetzt, um die strukturelle Reaktion von Gold auf Laseranregung zu messen“, sagte McBride. „Dadurch konnten Einblicke in die atomare Anordnung und Stabilität unter extremen Bedingungen gewonnen werden.“

Die Forscher fanden heraus, dass die Kräfte, die die Atome zusammenhalten, stärker werden, wenn Gold extrem energiereiche optische Laserpulse absorbiert. Diese Veränderung führt dazu, dass die Atome schneller schwingen, was die Reaktion des Goldes auf Wärme verändern und möglicherweise sogar die Temperatur beeinflussen kann, bei der es schmilzt.

„Diese Arbeit löst eine seit langem bestehende Frage zur ultraschnellen Anregung von Metallen und zeigt, dass intensive Laser die Reaktion des Gitters vollständig verändern können“, sagte Siegfried Glenzer, Direktor der Abteilung für hohe Energiedichte am SLAC.

Forscher glauben, dass ähnliche Phänomene auch bei anderen Metallen wie Aluminium, Kupfer und Platin auftreten könnten. Weitere Untersuchungen könnten zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von Metallen unter extremen Bedingungen führen, was zur Entwicklung widerstandsfähigerer Materialien beitragen würde.

„Mit Blick auf die Zukunft freuen wir uns über das Potenzial, diese Erkenntnisse auf praktischere Anwendungen anzuwenden, beispielsweise in der Laserbearbeitung und Materialherstellung, wo das Verständnis dieser Prozesse auf atomarer Ebene zu verbesserten Techniken und Materialien führen könnte“, sagte Descamps. „Wir planen außerdem weitere Experimente und hoffen, diese Phänomene in einem breiteren Spektrum von Materialien erforschen zu können. Es ist eine aufregende Zeit für unser Fachgebiet und wir freuen uns darauf zu sehen, wohin uns diese Entdeckungen führen.“