Hartes Gold durch Laserheizung

Dr. Ralph Ernstorfer, der heute als Postdoc in der Arbeitsgruppe des neuen MAP-Professors Reinhard Kienberger ist, veröffentlichte in Science einen ungewöhnlichen Effekt: Gold wird beim Erhitzen mit einem äußerst leistungsstarken Laser nicht etwa weicher, sondern im Gegenteil härter. Die Arbeit entstand während seines Forschungsaufenthalts im Institute for Optical Sciences der Universität von Toronto in Zusammenarbeit mit dem kanadischen Team.

Der UV-Laser erhitzte das Gold mit einer Rate von etwa eine Billiarde Grad pro Sekunde. Bei dieser Heizgeschwindigkeit nehmen nur die Elektronen die Hitze auf, können die aufgenommene Energie anfangs aber nicht an die Atomkerne abgeben. Die heißen Elektronen haben jedoch eine andere räumliche Verteilung inmitten der Gold-Kerne. Dadurch werden die Bindungen der Atomkerne im Gitter stärker und das Gold wird durch die Wärmezufuhr nicht weicher, sondern härter. Theoretiker hatten diesen Effekt zwar vorhergesagt, aber Ernstorfer konnte ihn erstmals experimentell bestätigen.

„Die Technik nennt sich „Femtosekunden-Elektronenbeugung“ und dient als Kamera zur Aufnahme von Bildern auf der atomaren Ebene, denn die Bewegung der Ionen können wir in Echtzeit während der Aufheizung beobachten“, erläutert Ernstorfer das Verfahren. Die Stabilität des Goldgitters ergibt sich dabei aus der Geschwindigkeit der Aufheizphase und dem − aufgrund der heißen Elelktronen − erhöhten Schmelzpunkt des Goldes.

Die Physiker haben Gold-Kristalle mit einem leistungsstarken Laser zu warmer, dichter Materie angeregt. So bezeichnen sie Materie, die so dicht wie ein Festkörper und so heiß wie ein Plasma ist. Dieser Zustand tritt dauerhaft nur im Inneren von Sternen auf. Auf Erden ist dieser Zustand extrem kurzlebig, entsteht aber bei der Wechselwirkung zwischen starken Laserpulsen und fester Materie. Nun ist es erstmal gelungen, die Bewegung von Atomen bei der Verwandlung eines Kristalls in ein Plasma direkt zu beobachten.

Eine vorab erschienene Publikation findet sich unter Science online:

Die gedruckte Ausgabe erscheint in Kürze.

(Text: Christine Kortenbruck)