Ultraschnelle Oberflächenprozesse beobachtet
Mit intensiven Pulse eines Röntgenlasers lassen sich ultraschnelle Prozesse auf und direkt unter Materialoberflächen untersuchen.
Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat erstmals gezeigt, dass die intensiven Pulse eines Röntgenlasers genutzt werden können, um ultraschnelle Prozesse, die auf und direkt unter Materialoberflächen ablaufen, mit bisher unerreichter Tiefen- und Zeitauflösung zu untersuchen. Damit können Forscher Prozesse erfassen, die mehr als eine Milliarde Mal schneller sind als das, was bisher auf diesem Gebiet beobachtet werden konnte. Die Ergebnisse ebnen den Weg für vielfältige Anwendungen, die auf dem Verständnis von ultraschnellen Prozessen auf Oberflächen beruhen. Beispiele dafür sind die Laserbearbeitung von Materialoberflächen zur Schaffung maßgeschneiderter Strukturen im Nanomaßstab oder die Realisierung kompakter laserbasierter Teilchen- oder Strahlungsquellen.
Mit Hilfe intensiver Laserpulse lassen sich winzige Oberflächenstrukturen im Nanobereich mit optimierten optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften erzeugen. Solche maßgeschneiderten Strukturen spielen eine entscheidende Rolle auf vielen Gebieten mit erheblicher gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Auswirkung. Sie können zur Herstellung antimikrobieller Beschichtungen, zur Verbesserung der Verbindung von Zahnimplantatschrauben mit dem Knochen und zum Bau fortschrittlicher, besonders widerstandsfähiger optischer Komponenten verwendet werden. Um diese Strukturen besser herstellen und ihre Auswirkungen verstehen zu können, müssen Forscher zunächst die ultraschnellen Prozesse beobachten und verstehen, die beim Auftreffen der intensiven Femtosekundenlaserpulse ablaufen, die bei der Oberflächenbearbeitung eingesetzt werden.
„An Synchrotronstrahlungsquellen ist die Zeitauflösung solcher Oberflächenuntersuchungen bisher auf wenige Millisekunden beschränkt“, erklärt Lisa Randolph von der Universität Siegen. „Wir haben jetzt gezeigt, dass man mit einzelnen Röntgenlaserpulsen auf Pikosekunden springen kann – das entspricht einer mehr als eine Milliarde Mal besseren Zeitauflösung. Und dank unseres speziellen Aufbaus, bei dem die Röntgenstrahlen im streifenden Einfall auf die Materialoberfläche treffen, können wir die Prozesse auf und direkt unter der Oberfläche mit einer Tiefenauflösung im Nanometerbereich beobachten.“
Der technologische Durchbruch gelang dem Team am SACLA-Röntgenlaser in Japan durch die Kombination der oberflächensensitiven Kleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall mit den von SACLA erzeugten Röntgenpulsen. Diese neuartige Methode ermöglichte es den Forschern, die ultraschnellen Veränderungen des Dichteprofils an und unter der Oberfläche, die durch einen auf das Material auftreffenden Laserpuls ausgelöst werden, mit einer räumlichen Auflösung von Nanometern und einer zeitlichen Auflösung von Pikosekunden zu beobachten. Um die beteiligten Prozesse besser zu verstehen, verglich das Team anschließend die experimentellen Ergebnisse mit den Daten aus Simulationsmodellen.
„Unsere experimentellen Daten stellen modernste Plasmasimulationsmodelle in Frage“, berichtet Mohammadreza Banjafar von der TU Dresden und Zweitautor der Studie. „Überraschenderweise sagen die weit verbreiteten hydrodynamischen Simulationen die in unseren Experimenten gemessene Dichtedynamik nicht korrekt voraus.“ Particle-in-Cell-Simulationen hingegen, die bisher als unzureichend galten, um solch intensive Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie zu beschreiben, zeigten eine deutlich bessere Übereinstimmung mit dem Experiment.
„Allerdings fehlen auch in diesen Particle-in-Cell-Simulationen noch viele physikalische Effekte“, sagt Motoaki Nakatsutsumi von European XFEL, der das Experiment koordinierte. „Unsere Methode wird dazu beitragen, die Modellierung von Laser-Festkörper-Wechselwirkungen weiter zu verbessern und neue Anwendungen dafür zu entwickeln.“ Insbesondere erwarten die Forscher, dass die beispiellosen Möglichkeiten, die ihre neue Technik bietet, neue Perspektiven für die Lasermaterialbearbeitung und die Forschung mit hohen Energiedichten eröffnen werden.
U. Siegen / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
Lisa Randolph et al.: Nanoscale subsurface dynamics of solids upon high-intensity femtosecond laser irradiation observed by grazing-incidence x-ray scattering, Phys. Rev. Research 4, 033038 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033038 - X-ray Science, Dept. Physik, Universität Siegen
- Fklt. Physik, Technische Universität Dresden
- European X-Ray Free-Electron Laser Facility, Schenefeld
Weitere Beiträge
- A. Pawlak, European XFEL: Röntgenblitzlicht und Molekülkino, Physik Journal, Oktober 2017, S. 26 PDF
