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Wenn Kristalle flüssig werden

Mit einer "Elektronenkanone" ins Innere einer schmelzenden Aluminiumschicht geschaut

Von Rainer Scharf

Wird ein Kristall erwärmt und zum Schmelzen gebracht, löst sich die regelmäßige Anordnung seiner Atome auf. Es entsteht ein ungeordneter, flüssiger Zustand. Wie sich die einzelnen Atome verhalten, wenn sie ihre Plätze im Kristallgitter verlassen, ist indes noch weitgehend unklar. Kanadische Forscher haben jetzt erstmals die Bewegung der Atome in einer Aluminiumschicht während des Schmelzvorgangs gefilmt.

Bei ihren Experimenten kombinierten Bradley Siwick und seine Kollegen von der Universität Toronto intensive Laserblitze mit kurzen Elektronenpulsen. Die Laserpulse, die eine Dauer von einer zehntel Pikosekunde (billiardstel Sekunde) hatten, richteten sie auf eine zwanzig Nanometer dicke Aluminiumschicht. Dort, wo die Schicht von einem Lichtblitz getroffen wurde, verflüssigte sie sich fast augenblicklich.

Um den Zusammenbruch der atomaren Ordnung beim Schmelzen gewissermaßen in Echtzeit sichtbar zu machen, bestrahlten die Forscher die Aluminiumschicht nach jedem Laserpuls mit einem kurzen Elektronenpuls und zeichneten das von der Aluminiumschicht verursachte Beugungsmuster auf. Diese Prozedur wiederholten sie viele Male, wobei sie schrittweise den zeitlichen Abstand zwischen Laser- und Elektronenpulsen vergrößerten.

Solange die Aluminiumschicht eine kristalline Struktur hatte und die Atome somit regelmäßig angeordnet waren, wurden die sich wellenförmig ausbreitenden Elektronen von den Aluminiumatomen in ganz bestimmte Richtungen gebeugt. Als die Schicht schmolz und immer mehr Atome ihre Plätze im Kristallgitter verließen, löste sich das Beugungsmuster auf und verschwand schließlich.

Da der Schmelzvorgang schnell ablief, - aus früheren Experimenten weiß man, daß eine dünne Schicht innerhalb weniger Pikosekunden schmilzt -, mußten die Wissenschaftler Elektronenpulse benutzen, die kürzer als eine Pikosekunde waren. Das war kein leichtes Unterfangen. Wegen der elektrostatischen Abstoßung der Elektronen laufen ultrakurze Elektronenpulse gewöhnlich auseinander, bevor sie ihr Ziel erreichen. Mit einer neuartigen Elektronenkanone konnten die kanadischen Wissenschaftler diese Schwierigkeit beheben, wie sie in der Zeitschrift "Science" (Bd. 302, S. 1382) berichten.

Aus ihren Daten konnten die Forscher eine Fülle von Informationen gewinnen. So heizte der auftreffende Laserpuls die Aluminiumschicht innerhalb von nur einer Pikosekunde über die normale Schmelztemperatur hinaus auf. Dabei wurden die Schwingungen der Atome im Kristallgitter immer heftiger, und nach etwa drei Pikosekunden hatte sich die Kristallstruktur vollständig aufgelöst. Der Kristall war geschmolzen und flüssig. Allerdings war die frühere kristalline Phase nicht ganz in Vergessenheit geraten. Noch nach sechs Pikosekunden "erinnerte" sich die flüssige Aluminiumschicht noch an ihren vormals festen Zustand. Die Position der Atome, die nicht zu weit voneinander entfernt waren, zeigte eine stärkere Abstimmung, als dies in einer perfekten Flüssigkeit der Fall gewesen wäre. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 26.11.2003, Nr. 275 / Seite N2

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