Kundenspezifische Laserfelder zeigen Eigenschaften transparenter Kristalle

Die Oberfläche eines Materials weist oft Eigenschaften auf, die sich stark von den Eigenschaften innerhalb des Materials unterscheiden. Ein nichtleitender Kristall, der eigentlich keinen Magnetismus zeigt, kann beispielsweise aufgrund der Anordnung der Atome dort eine auf die Oberfläche beschränkte Magnetisierung aufweisen. Diese Besonderheiten an Grenzflächen und Oberflächen von Materialien spielen bei der Entwicklung neuer Funktionskomponenten wie optoelektronischen Chips oder Sensoren oft eine Schlüsselrolle und werden daher intensiv erforscht. Einem internationalen Forscherteam der Universität Göttingen, des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie Göttingen und des National Research Council Canada ist es nun gelungen, die Oberflächen transparenter Kristalle mit leistungsstarker Laserstrahlung zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Die Forscher beschreiben ihre rein lichtabhängige Methode, um elektrische und magnetische Eigenschaften auf Oberflächen zu bestimmen. Diese neue Methode kann bei der Untersuchung von transparenten, nichtleitenden Materialien eine wichtige Rolle spielen, da etablierte Methoden mit Elektronen unter anderem aufgrund der geringen Leitfähigkeit oft experimentelle Einschränkungen erfahren. Der Einsatz von Licht hilft, diese Einschränkungen zu umgehen: Treffen Lichtstrahlen auf eine Materialoberfläche, beispielsweise ein Glasfenster, werden sie an der Grenzfläche reflektiert, gebrochen und im Material absorbiert. Diese im Alltag zu beobachtenden Effekte sind das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem schwachen Lichtfeld und den Atomen und Elektronen des bestrahlten Materials. Bei stärkeren Lichtfeldern, die mit Lasern erzielt werden, treten weitere Effekte auf, die beispielsweise höhere Lichtfrequenzen erzeugen können – sogenannte High Harmonic Radiation. Diese Effekte hängen oft von der Schwingungsrichtung des Lichtfeldes in Bezug auf die atomare Anordnung im Material ab.

„Diese Abhängigkeit nutzen wir, wenn wir hochharmonische Strahlung erzeugen, um Erkenntnisse über die Eigenschaften an und nahe der Oberfläche transparenter Materialien zu gewinnen“, sagt Erstautor und Doktorand Tobias Heinrich von der Fakultät für Physik der Universität Göttingen. „Das von uns verwendete Lichtfeld besteht aus zwei gegenläufig rotierenden Laserpulsen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen, wodurch ein symmetrisches Feld der Tastatur entsteht.“ Diese benutzerdefinierten Lichtfelder können an die atomare Anordnung des Materials angepasst werden, um die Erzeugung hoher Harmonischer zu kontrollieren.

„Wir zeigen, dass mit dieser Kontrolle die Magnetisierung auf der Oberfläche von Magnesiumoxid untersucht werden kann“, erklärt Studienleiter Dr. Murat Sivis. Je nach Drehrichtung des Lichtfeldes – auch Chiralität genannt – wird das erzeugte ultraviolette Licht an der Grenzfläche unterschiedlich stark absorbiert. „Für verschiedene Materialien, die keine Magnetisierung oder elektrische Leitfähigkeit aufweisen, werden diese Eigenschaften theoretisch vorhergesagt“, sagte Sivis. „In unserer Studie zeigen wir, dass es jetzt möglich ist, solche Phänomene mit optischen Methoden zu untersuchen, wahrscheinlich sogar auf sehr kurzen Zeitskalen.“ Auch erhoffen sich die Forscher neue Erkenntnisse über die elektronischen Eigenschaften anderer chiraler Materialien, wie die Studie am Beispiel der helikalen Kristallstruktur von Quarz zeigt. Die Empfindlichkeit gegenüber chiralen Phänomenen auf Oberflächen könnte potenziell neue Möglichkeiten für die Erforschung innovativer Funktionsmaterialien eröffnen.

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Originalveröffentlichung: Tobias Heinrich et al. „Chirale hochharmonische Erzeugung und Spektroskopie auf festen Oberflächen mit starken Feldern auf Polarisation“. Naturkommunikation (2021). Doi: 10.1038 / s41467-021-23999-9.

Dr. Murat Sivis

Universität Göttingen

Fakultät für Physik: Forschungsgruppe für Festkörperphysik und Nanostrukturen

Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen, Deutschland

Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie – Ultraschalldynamik

Am Faßberg 11, 37077 Göttingen, Deutschland

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E-Mail: [email protected]

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Tobias Heinrich

Universität Göttingen

Fakultät für Physik – Forschungsgruppe für Festkörperphysik und Nanostrukturen

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