Wie die Forscher in der renommierten Fachzeitschrift "Science" berichten, haben sie zuerst mit einem nur 130 Femtosekunden langen Laserpuls eine 30 Nanometer dünne Goldfolie bestrahlt und danach die Reaktion des Materials auf dieses ultra-schnelle Heizen mit einem stark gebündelten Elektronenstrahl untersucht. Dazu benutzten sie in Experimenten am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) die Methode der Ultrafast Electron Diffraction (UED), bei der aus dem gemessenen Beugungsbild auf die Struktur des Materials geschlossen werden kann. Indem sie die zeitliche Verzögerung zwischen Laser- und Elektronenpuls variierten, konnten sie die strukturellen Änderungen in der Goldfolie auf ultra-kurzen Zeitskalen wie in einem Film verfolgen. Während die feste Phase charakteristische Beugungsreflexe hervorruft, die von Max von Laue 1912 erstmals beschrieben wurden, liefert die ungeordnete flüssige Phase Beugungsringe.
Die gemessenen Beugungsbilder weisen auf drei verschiedene Schmelzprozesse in Abhängigkeit von der Heizrate hin, die durch Variation der Energiedichte des Lasers eingestellt werden kann. Wird die Goldfolie stark erhitzt, geht sie sehr schnell innerhalb von nur 17 Pikosekunden vom festen in den flüssigen Zustand über - ein homogenes Schmelzen hat stattgefunden. Wird die Probe weniger stark thermisch angeregt, koexistieren feste und flüssige Phase über einen relativ langen Zeitraum von bis zu 800 Pikosekunden - heterogenes Schmelzen wird beobachtet. Bei noch geringerer thermischer Anregung reicht die vom Laser bereit gestellte Energie nicht aus, um die gesamte Probe selbst auf langen Zeitskalen von bis zu 3000 Pikosekunden zu schmelzen - ein unvollständiger Schmelzprozess hat stattgefunden.
Zur Interpretation der experimentellen Daten waren genaue Rechnungen zum Strukturfaktor von Gold notwendig, die von Bastian Witte, einem Doktoranden in der AG Statistische Physik von Prof. Dr. Ronald Redmer an der Universität Rostock, mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie durchgeführt wurden. Die Ergebnisse erlauben erstmals einen Einblick in die Schmelzdynamik auf ultra-kurzen Zeitskalen und atomaren Abständen.
Originalveröffentlichung:
M. Z. Mo et al., Heterogeneous to homogeneous melting transition visualized with ultrafast diffraction. Science 360, 1451-1455 (2018)
Link zum Originalarbeit in der Zeitschrift Science:
http://science.sciencemag.org/content/360/6396/1451
Link zur Pressemitteilung des SLAC Stanford:
https://www6.slac.stanford.edu/news/2018-06-28-atomic-movie-melting-gold-could-help-design-materials-future-fusion-reactors.aspx