Zusammenwirkung von Licht und Werkstoffen.

Es ist schon bekannt: wird Materie mit Licht bestrahlt, werden Elektronen frei.

Mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse haben Wissenschaftler an der TU München zusammen mit anderen Forschern den zeitlichen Ablauf des Photoeffekts an Festkörpern näher erforscht. Die Photoemission von Elektronen ist einer der schnellsten Prozesse in der Natur. Bisher fehlten die geeigneten Beobachtungsmethoden, um den genauen Ablauf in Festkörpern zu beobachten. Inzwischen können Forscher kurzwellige Laserpulse von einer Femtosekunde für ihre Untersuchungen nutzen. Mit solchen Quellen ist es möglich, einzelne Atome zu messen, wann die Elektronen aus ihren verschiedenen Schalen freigesetzt werden. Dabei lassen sich Zeitunterschiede von wenigen Attosekunden bis Trillionstel Sekunden beobachten.

Titandioxid

In Titanoxid, einem Halbleiter, verändert sich die Anordnung von Elektronen und Atomkernen, wenn starkes Laserlicht auf den Titandioxid-Kristall trifft. Die Forscher weisen nach, dass selbst kleine Veränderungen in der Elektronenverteilung des Kristallgitters entstehen. Aber alles verändert sich durch eine Anregung mit ultrakurzen Laserpulsen. Die Physiker schickten einen intensiven, ultravioletten Laserpuls von weniger als fünf Femtosekunden auf den Titandioxid-Kristall.

Dadurch gerieten die Valenzelektronen der Atome in Bewegung und erhitzten sich auf mehrere Tausend Grad Celsius. Valenzelektronen sind an Atome gebundene Elektronen, sie treten in starke Wechselwirkung miteinander und bilden dadurch eine Art Klebstoff, der die Atomrümpfe in einem Kristallgitter zusammenhält.

Wenige Femtosekunden nach dem ersten Laserpuls schicken die Physiker einen zweiten, etwas schwächeren Puls auf den Kristall. Dieser wurde an der Oberfläche reflektiert und gibt den Forschern die Veränderungen. Das starke Licht des ersten Pulses erhitzt nicht nur die Valenzelektronen, es verändert auch deren Position im Atomgitter. Die Elektronendichte ist in der Umgebung der Sauerstoffkerne verringert und in der Umgebung der Titankerne erhöht.

Bei den Experimenten beobachten die Physiker einen überraschenden Effekt: Nach der Lichtanregung kühlen die Elektronen innerhalb von rund 20 Femtosekunden auf Raumtemperatur ab. Der Kristall wird während dieser kurzen Zeit nur minimal erwärmt. Die räumliche Verteilung der Valenzelektronen verändert sich markant. Daraus verschiebt sich auch die Ruheposition der Atome im Kristallgitter noch um ein ganzes Stück weiter. Eine solche Abhängigkeit der Kristallstruktur von der Temperatur angeregter Elektronen ist schon lange theoretisch vorhergesagt. Das experimentelle Ergebnis zeigt, dass der Gleichgewichtszustand des Festkörpers auf kleine Änderungen der Elektronenverteilung extrem stark reagiert.