Laserbearbeitung Ultrakurzer Laserpuls bringt Atome zum Formationstanzen

Redakteur: Stefanie Michel

Kasseler Physiker haben synchronisierte Kollektivbewegungen von Atomen in laserangeregtem Silizium entdeckt. Die Ergebnisse könnten für die Materialbearbeitung mit Lasern von großer Bedeutung sein.

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Die Kasseler Physiker Tobias Zier, Dr. Eeuwe Zijlstra und Prof. Dr Martin Garcia (v.l.) manipulieren den Klebeeffekt von Elektronen.
Die Kasseler Physiker Tobias Zier, Dr. Eeuwe Zijlstra und Prof. Dr Martin Garcia (v.l.) manipulieren den Klebeeffekt von Elektronen.
(Bild: Grigoryan/Uni Kassel)

Jeder Festkörper besteht aus positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen. Die Elektronen sind sehr viel leichter als die Atomkerne und können sich daher im Festkörper viel schneller bewegen und ihre Positionen unverzüglich einnehmen. Diese Eigenschaft der Elektronen wirkt wie eine Art Kleber, der die Atome zusammenhält. Dieser Kleber ist es auch, der darüber entscheidet, wie sich die Atome in einem Kristall anordnen.

Ultraschnelles Schmelzen unterscheidet sich vollkommen vom thermischen Schmelzen

Ein Forschungsteam der Universität Kassel hat nun eine neue Möglichkeit entdeckt, diesen Klebeeffekt zu manipulieren und ihn sich damit für die Materialbearbeitung zunutze zu machen. Dr. Eeuwe Zijlstra, Dr. Alan Kalitsov, Tobias Zier und Prof. Dr. Martin Garcia berechneten dafür das Verhalten der Elektronen unter dem Einfluss ultrakurzer Laserpulse von moderater Intensität.

Wenn ein Laserpuls die Elektronen anregt, werden diese heiß und ändern dadurch ihre Klebeeigenschaften. Eine Anregung mit einem sehr intensiven Laserpuls kann dazu führen, dass die Klebefunktion teilweise verschwindet, sodass der Festkörper schmilzt. „Dieser Prozess wird ultraschnelles Schmelzen genannt und unterscheidet sich vollkommen von dem alltäglichen thermischen Schmelzen“, formuliert es Dr. Zijlstra. Die Zeitskalen und die Effekte seien grundverschieden.

Nach Laserpuls bewegen sich Atome synchronisiert im Kollektiv

Während der für die Materialbearbeitung wichtige Prozess des ultraschnellen Schmelzens schon bekannt ist, untersuchten die Kasseler Wissenschaftler, wie die Atome auf Laserpulse reagieren, deren Intensität zum Material Schmelzen nicht ausreicht. Dafür wurde das Element Silizium gewählt und mithlfe des in der Arbeitsgruppe Garcia entwickelten Computerprogramms „Chives“ mehrere Simulationen von einigen hundert Atomen durchgeführt. Die Auswertung ergab, dass die Atome sich synchronisiert im Kollektiv bewegen, ähnlich wie beim Formationstanzen. Die Amplitude der Atombewegung ist periodisch größer beziehungsweise kleiner als im Gleichgewicht. Man nennt diesen Effekt „thermal squeezing“.

Des Weiteren konnten die Wissenschaftler einen Zusammenhang zwischen dem thermal squeezing bei niedrigen Intensitäten und dem ultraschnellen Schmelzen bei hohen Intensitäten finden: Bestimmte Klebeeigenschaften behalten die Elektronen sowohl beim squeezing als auch beim Schmelzen bei. Dadurch wird eine weitere Lücke im Verständnis von Laseranregung mit ultrakurzen Pulsen geschlossen.

Neue Möglichkeiten zum Steuern des nichtthermischen Schmelzens

Nach Ansicht der Kasseler Physiker wird die neu gewonnene wissenschaftliche Erkenntnis sehr nützlich für die Lasermaterialbearbeitung sein. So öffnen diese Ergebnisse neue Möglichkeiten, nichtthermisches Schmelzen zu steuern, etwa um ein Material mit Strukturen zu versehen. Darüber hinaus kann man auf der Basis von zeitaufgelösten Röntgenbeugungsexperimenten mit Hilfe dieser Theorie eindeutig entscheiden, welche Materialien thermisch und welche nicht thermisch schmelzen.

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