Laser lösen Nano-Erdbeben aus

22.07.2009 - Deutschland

Für besonders innovative und risikoreiche Forschungen hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) seit 2008 mit dem "Reinhart Koselleck-Programm" eine eigenständige Förderlinie. Einer der geförderten Wissenschaftler ist jetzt der Experimentalphysiker Prof. Manfred Bayer von der TU Dortmund. Mit 1,5 Millionen Euro ermöglicht ihm die DFG Forschungen auf dem Gebiet der ultraschnellen Akustik.

Bei der neuen Methode der ultraschnellen Akustik wird ein dünner Metallfilm mit einem hochintensiven Laserpuls beschossen. Als Reaktion führt der Film eine "Atembewegung" aus: Er dehnt sich kurz aus und zieht sich dann zusammen. Was sich zuerst banal anhört, wird dadurch interessant, dass diese Bewegung auf einer Zeitskala von einigen Billionstel Sekunden (Pikosekunden) abläuft. Bringt man das Metall mit einer anderen Substanz in Kontakt, so wird die "Atmungsbewegung" als Verzerrungswelle mit einer Ausdehnung in Bereich von einigen zehn Milliardstel Metern (Nanometern) übertragen. Form und Intensität der Welle können durch die Stärke des Laserbeschusses relativ genau eingestellt werden.

Läuft die Welle über ein Atom hinweg, so wird das Atom in kürzester Zeit um einige Billionstel Meter bewegt, was einer äußerst heftigen Auslenkung entspricht. Die Verzerrungswelle kann daher als mächtiges Nano-Erdbeben betrachtet werden. Ziel des Antrags ist es die Effekte, die man durch ein solches "Erdbeben" auslöst, einerseits physikalisch zu verstehen und andererseits auf mögliche Anwendungen hin zu untersuchen. Durch die Verzerrung wird die Energie von Elektronen sehr schnell verändert; erhöht, wenn das Material zusammengedrückt wird, erniedrigt, wenn das Material gedehnt wird. Dadurch könnte die Emission von Licht aus Leuchtdioden und Lasern so schnell wie nie zuvor variiert werden, was beispielsweise für die optische Nachrichtentechnik von hohem Interesse ist. Es könnten sich aber auch neue Bereiche der Quantenphysik eröffnen. Mit der Verzerrungswelle könnten laufende Quantenstrukturen erzeugt werden, oder die Wechselwirkung von Licht mit Materie könnte in bisher nicht realisierbare Bereiche vorstoßen. In Systemen, die aus vielen wechselwirkenden Teilchen bestehen, könnten Phasenübergänge erzwungen werden, bei denen sich das kollektive Verhalten der Teilchen durch die Verzerrungswelle ändert. Dies sind nur einige der Beispiele, über die Dortmunder nachdenken.

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