Ich freue mich auf jeden Fall, dass ich es heute machen darf.
Und dass ich heute hier sein kann. Ich freue mich
auch, dass es die so zahlreich erschienen sind.
Genau, mein Name ist Peter Gal.
Ich leite die Arbeitsgruppe Dynamics ins Holly Zenano Structures am Institut
für eine andere Struktur und Festkörperphysik der Universität Hamburg.
Wir waren ja Lokalmatadore bis vor kurzem.
Wir hatten unsere Labore und Büros hier an der Junggestraße und
sind in diesem Sinne zusammen rausgezogen an den Campus Barrenfeld.
Umso schöner ist es ab und zu mal wieder hier zu sein.
Ja, mein Thema heute Abend ist Mechanik auf der Nano-Skala
Mechanik, das klingt ja so nach klassischer Physik, alles bekannt.
Unano-Skala, das ist schon wieder sehr modern.
Kleine Längenskalen, alles sehr minimaturisiert. Und ich werde versuchen,
in meiner Vorlesung heute ein bisschen die Brücke zu schlagen,
beziehungsweise ihnen zu zeigen, dass die beiden Themen Mechanik und Nanoskala
sehr aktuelle Forschungsthemen sind und noch sehr viel miteinander zu tun haben.
Wenn ich Mechanik sage, dann meine ich, also Mechanik,
wir reden hier von Festkörpern oder ich rede von Festkörpern von Nano-Strukturen.
Das sind also Kristallinen Nano-Strukturen. Wenn ich dann Mechanik sage,
dann meine ich, also Verformungen dieser Nano-Strukturen, kleinste Verformungen und Verspannungen im Kristallgitter.
Das ist schon mal eine Einschränkung zu dem, was man
sich geläufigerweise unter Mechanik vorstellt. Und bevor ich in mein eigentliches,
also in den Hauptgegenstand meines Vortrags reinspringe,
ich möchte ihn eigentlich ein Experiment ein bisschen genauer erläutern oder ein Experiment,
ein Forschungszweig genauer erläutern, in dem es darum geht,
Die Verspannung von Festkörpern auf kurzen Längenskalen und auch sehr kurzen Zeitskalen zu kontrollieren.
Bevor wir da also konkret eintauchen, möchte ich ein bisschen ausholen.
Und dafür habe ich auf der ersten Folie mal so
einen Überblick oder eine Auswahl von, sagen wir mal,
aktuellen Anwendungen hier auf der linken Seite und aber auch Methoden.
Ich habe das Gefühl, es ist sehr laut,
ich mache mich ein bisschen leiser,
wenn das in Ordnung ist, weil es nein.
Okay, weil es fast schon rüllkoppelt, okay.
Also zusammengestellt, Anwendungen, Methoden. Hier oben haben wir
zum Beispiel einen M-Ram, Speicher, eine Ambraem-Speicherzelle.
Das ist ein moderner, magnetischer Speicher, in dem die Informationen,
also die Magnetisierung in einer magnetischen Landesstruktur über den Strom geschrieben und ausgelesen wird.
Nicht über ein Magnetfeld, wie in konventionellen Schreib- und Leseköpfen.
Hier haben wir einen Quantentopf oder einen Quantentrog mit elektronischen Zuständen,
die über Licht angeregt werden. Das heißt,
ich bringe Ladung von dem Grundzustand in den angeregten Zustand hoch
und bringe die eventuell über Strahlung wieder in den Grundzustand zurück
Das hier ist ein Bild einer Nano-Struktur, also das Kristallgitter in der Nano-Struktur.
Die Farben zeigen unterschiedliche Materialien, die epiTaktisch aufeinander aufgewachsen sind.
So sehen also die Strukturen, strukturell, magnetisch oder elektronisch aus,
über die wir heute sprechen, zu den Methoden.
Es geht um Laser, genauer gesagt um Kurzpulslaser,
was ich genau damit meine, erkläre ich da noch.
Und Synchrotranstrahlung, das ist eine wichtige Methode,
von der wir heute viel hören werden. Und dann,
das hier ist der Mechanikteil, es geht um im Wesentlichen
Wesentlichen um Schallwellen, die im Festkörper propagieren.
Und wir regen die optisch an und mit diesen Schallwellen
wirken wir dann auf die magnetischen oder elektronischen Eigenschaften.
Das Ganze hier wird gerne zusammengefasst. Das ist ein Schlagwort,
das sich in den letzten Jahren entwickelt hat.
Als die zweite Quantenrevolution. Und bevor ich mit meinem eigentlichen
Vortrag beginne, möchte ich den Begriff ein bisschen erläutern.
Dafür schauen wir kurz auf die Entwicklung der Quantenmechanik.
Wie hat sich die Quantenmechanik entwickelt? Was ist sozusagen
die erste Quantenrevolution
Fängt an, am Anfang des letzten Jahrhunderts mit Max Planck,
der die geniale Idee hatte oder die geniale Entwicklung,
das Strahlungsspektrum eines schwarzen Strahlers oder aus dem Strahlungsspektrum eines schwarzen Strahlers herzuleiten,
dass die Energiezustände in diesem Strahler gequantelt sind.
Also ein Körper kann nicht beliebiger Energiezustände annehmen,
sondern nur bestimmte Zustände und die sind so eng beieinander,
dass es tatsächlich immer wieder fasziniert ist,
sich zu überlegen,
wie er drauf gekommen ist,
aus einem makroskopischen Experiment
darauf schließen zu können
Das ist sozusagen der Beginn der Quantenmechanik oder da,
wo ich heute mit anfangen will. Als nächstes komplementäres,
als nächsten komplementären Meilenstein, haben wir die relativistische Quantenmechanik,
die schlägt sozusagen die Brücke zum Bälleteilchen-Dualismus von der anderen Seite.
Also Paul Dirak konnte zeigen,
dass nicht nur die Energiezustände im Festkörper gequankelt sind und dem kleinsten Energiequanten vorkommen,
sondern dass sich auch die eine Lichtwelle oder das Feld eines Lichtpulses
in kleinste Quanten zerlegen kann,
also in Photonen
Für die Festkörperphysik, ein besonders wichtiger Meilenstein war die Elektronentheorie
im Festkörper. Die Elektronentheorie im Festkörper beschreibt letzten Endes,
wie sich aus diskreten Zuständen in einzelnen Atomen, Energiebänderformen,
wenn nicht die Atomen, wenn nicht die Atome in einem Kristallgitter eng zusammenbringe.
Wenn ich das mache, dann überlappen die Orbitale,
also die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen und disformieren sich solche Bänder und diese Bänder erlauben dann,
dass zum Beispiel Elektronen durch den Kristall propagieren können,
dass ich die transportieren kann, dass Strom fließen kann.
Das führt auch dazu, dass sich Caro Magnetismus und Phero-Elektrizität
ausbilden. Das geht letzten Endes alles auf die Theorien,
die in den 1930er Jahren entwickelt wurden, zurück.
Natürlich ein wichtiger Meilenstein ist die Erfindung des Lasers. Wir haben jetzt also verstanden,
im Festkörper gibt es bestimmte die Quante der Energiezustände, um einen Laser zu bauen,
muss ich diese Energiezustände in einer besonderen Art und Weise besetzen.
Ich kann den nicht mehr thermisch besetzen, sondern ich muss dafür sorgen,
dass in den höheren Zuständen eine höhere Besetzung auftritt.
Das mache ich mit einer sogenannten Pumpe, also mit einer externen Energiequelle.
Und wenn ich das mache und das Licht dann noch mit Spiegeln in einem Resonator einschließe,
dann kann ich damit eine Menge identischer Photonen erzeugen,
also einen sehr gerichteten Lichtstrahl, den hohe Korrenz aufweist.
Ein weiterer Meilenstein, den ich hier erwähnen möchte, ist die Laserkühlung.
Ich habe jetzt also den Laser erfunden oder der Laser wurde erfunden.
Ich habe ihn nicht erfunden. Bei der Laserkühlung Ja, doch.
Ich spreche einfach weiter. Also bei der Laserkühlung kann ich
mit Hilfe meiner gerichteten und kohärenten Laserstrahlen ein einzelnes Atom gefangen nehmen,
indem ich aus sechs Richtungen Laserstrahlen einstrahle,
die sich dort gesondert überlagern, das Atom festhalten,
sodass es sich nicht mehr bewegen kann.
Das heißt, ich nehme alle thermische Energie raus und
das Atom ist besonders kalt
Und als letzten Meilenstein, den ich hier erwähnen möchte,
die Bose Einstein-Kondensation, das ist sozusagen eine Fortführung der Laserkühlung.
Ich habe jetzt nicht allen Atomen,
das ich in einem bestimmten Zustand festhalte,
sondern ich kann da auch einen sehr exotischen Zustand erzeugen,
in dem ich ganz viele Atome in einen gleichen,
nämlich in den Grund, in den energetischen Grundzustand versetze.
Und dann bekomme ich ein sogenanntes Bose Einstein-Condent sagt.
Das ist ein kleiner Abriss, der Entwicklung der Quantenmechanik im letzten Jahrhundert
Und das ist die sogenannte erste Quantenrevolution. Und am Ende der ersten Quantenrevolution steht,
was ja wichtig ist, nämlich das Verständnis der Quantenwelt.
Diese ganzen Entwicklungen haben dazu geführt,
dass wir gut verstehen, wie die Physik auf kleinsten,
also auf atomaren oder subatomaren Längskalen funktioniert.
Was ich vergessen habe zu erwähnen, ganz am Anfang,
wir können es gerne oder wir sollten es so machen,
wie in einer normalen Vorlesung, wenn sie also Fragen haben,
dann unterbrechen sie mich ruhig und ich gehe gerne darauf ein.
Ansonsten gibt es auch am Ende natürlich noch
die Möglichkeit,
sich zu unterhalten
So, die zweite Quantenrevolution. Was meinen wir jetzt damit? Die zwei,
es gibt sozusagen neue Entwicklungen in den 1990er Jahren,
hat es zum Beispiel angefangen mit der Quantenkryptographie.
Da wenden wir die Erkenntnisse aus der ersten Quantenrevolution an.
Zum Beispiel hier erzeugen wir uns verschränkte Photonen,
die schicken wir gleichzeitig an einen Sender und an einen Empfänger.
Und wenn die dann miteinander Nachrichten austauschen,
dann können die über diese verschränkten Photonen überprüfen,
ob der Kanal, über den die Nachricht geschickt wurde,
ob der Kanal sicher ist oder nicht
Weiterer, wichtiger Meilenstein,
der unter die zweite Quantenrevolution fällt, ist der Shore-Algorithmus.
Der Shore-Algorithmus, der zerlegt große Zahlen in die kleinsten Faktoren.
Also er führt eine Faktorisierung durch. Allerdings berücksichtigt er dabei,
dass die Informationen, also die Zahlen, wie die gespeichert sind,
dass die in einem Quantenbit gespeichert sind und nicht in einem konventionellen Bit.
Also er nutzt die Quanteneigenschaften der Informationsspeicherung aus und ist dadurch
sehr schnell.
Das ist auch
besonders wichtig für Kryptografie
Anwendung. Und so geht es dann weiter. Mittlerweile sind wir dabei,
dass wir Verschränkungen sehr gut herstellen können. Gequetschtes Licht,
sogenanntes Queeze State of Light, die sind wichtig auch für Sensorik,
zum Beispiel für Gravitationswellendetektion, Quantenkryptographie hat große Fortschritte gemacht.
Das ist nur eine Auswahl, das sind alles Themen,
über die ich heute eigentlich nicht sprechen möchte,
aber die sollen den folgenden Funk verdeutlichen,
nämlich dass am Ende der zweiten Quanten Revolution nicht mehr das Verständnis der Quantenwelt steht,
das haben wir erreicht,
sondern jetzt wollen wir die Quantenwelt kontrollieren und Anwendungen
Und hier sind wir bei den neuen Anwendungen und dies heute gehen sollen.
Und ich möchte insbesondere zur Kontrolle von Quantenzuständen sprechen.
Und die Methode, mit der wir die Quantenzustände kontrollieren wollen,
ist die Verspannung des Krestallgedas, also des Mediums,
in dem die Quantenzustände vorhanden sind.
Und dazu auch zwei kurze Beispiele. Das sind jetzt
relativ aktuelle Experimente, die ja durchgeführt und publiziert wurden.
Hier auf der linken Seite haben wir ein Paper,
das nennt sich Long Range Exiton Transport bei Dynamic Strainfields
Guardium aßendet, Quantenwelt. Strainfields, das sind die Verspannungen,
von denen wir sprechen. Die werden hier erzeugt,
indem man so einen sogenannten Inter-Digital-Transducer auf die Probe aufbringt.
Das ist also hier ein Guardium, eine Guardium-Asynit-Struktur mit einer dünnen Schicht.
Aluminium-Guardium-Asynit, hier sieht man den Aufbau. Das bildet den Quantenwell in so einem Quantenwell,
bilden sich besondere elektronische Zustände,
wo sich die Elektronen in dem Material bevorzugt aufhalten und mit dieser Schallwelle,
die jetzt durch diese Struktur durchpropagiert, ist den Forschern hier gelungen,
einzelne Ladungen aus den Quantenwelt zu nehmen und an einen anderen Ort zu transportieren.
Sie haben also den Zustand der Ladung über die Verspannung in den Festkörper
kontrollieren können. Und ein ähnliches Beispiel ist hier gezeigt,
hier sind zwei Quantenpunkte hergestellt in der sogenannten photonischen Kapität.
Das ist dieses Pünktchenmuster hier. Und wenn dann hier so
ein paar Pünktchen fehlen, dann bilden sich wieder besondere elektronische Zustände.
Und die schicken auch wieder so eine Schallwelle durch diese Struktur
durch und über die Verspannung ändern sich wieder die elektronischen Zustände.
Und das tun die in so einer Weise, dass diese
beiden Quantenpunkte miteinander sprechen können. Das heißt, die sind gekoppelt,
die Ladung kann von dem Quantenpunkt auf diesen Quantenpunkt hier durchtunneln,
durch diese Energiebarriere, die durch diese Pünktchen da entsteht.
Oder andersrum, beziehungsweise ich kann oder mit dieser Schallwelle
kann diese Kopplung zwischen diesen beiden Quantenpunkten auch aufgehoben werden.
Also wieder Kontrolle von elektronischen Zuständen über den Strain,
also über die Verspannung des Kristallgitters
Ich habe jetzt nicht viel dazu erklärt, was es bedeutet,
Kopplung von elektronischen Zuständen und so weiter.
Das ist auch nicht das eigentliche Thema,
sondern worum es jetzt heute geht, ist,
die Kontrolle über die Verspannung des Kristalls, durch Schallwellen oder,
weil wir ja so gerne Englisch sprechen,
Strain Control of the Crystal Lettis.
Also es geht um diesen Teil hier Strain,
also die Verspannung, also die Mechanik des Kristallgitters.
So, wie machen wir das?
Wir erzeugen die Mechanik auf kurzen Zeitskalen. Dazu benutzen wir
so einen Aufbau hier.
Wir benutzen einen Ultra-Kurzpuls-Laser
Der erzeugt uns also kurze Lichtpulse, die schießen wir dann
auf eine Probe drauf und damit bekommen wir die Mechanik,
also die Dynamik des Kristallgitters.
So, bevor wir tiefer da einsteigen, möchte ich kurz
was zu diesem Laser sagen, was bedeutet das Ultra-Kurzpuls-Laser?
Das ist ein, da war es schon. So,
das ist also eines unserer Arbeitstiere,
eines unserer wichtigsten methodischen Werkzeuge,
die wir benutzen,
ein Fan-to-Sekunden-Laser
Eine Femto-Sekunde ist eine Zeiteinheit und zwar eine sehr,
sehr kurze Zeiteinheit. Eine Femto-Sekunde sind 10 hoch,
minus 15 Sekunden, also so eine Zahl mit so,
so viel Null nach dem Kanal, bis dann da die Eins steht.
Es ist schwer, sich klarzumachen,
was genau eine Femto-Sekunde ist, welche Größenordnung das bedeutet,
ich habe das mal so versucht,
wenn sie sich als Zeitintervall von 100 Sekunden vorstellen,
also ungefähr zwei Minuten und das in Verhältnis setzen zum Alter des Universums.
Das sind 13,8 Milliarden Jahre,
dann entspricht dieses Verhältnis dem Verhältnis von einer Femto-Sekunde
zu einer Sekunde
Ja, es ist also wirklich unvorstellbar kurz. Und noch
ein Beispiel dafür, wie extrem letzten Endes die Bedingungen sind,
auf so kurzen Zeitskalen. Das ist die Stärke der Laserpulse
. Normalerweise ein typischer Fan-To-Sekunden-Laser hat eine Ausgangsleistung von Einwatt.
Das klingt jetzt nicht viel, nicht mal eine Glühbirne.
Wenn wir das vergleichen mit der Strahlungsleistung der Sonne,
an einem normalen Tag wird ein Quadratmeter mit einer Leistung von
ungefähr 1000 Watt gestrahlt,
ein bisschen mehr
Das klingt dann auch erst mal viel mehr als die Leistung
von einem Fan-to-Sekunden-Laser. Jetzt muss man aber berücksichtigen,
dass wir den Fan-to-Sekunden-Laser nicht auf einen Quadratmeter aufweiten und damit
unsere Probe bestrahlen, sondern typischerweise wird der fokussiert.
Der Fleck wird also viel kleiner gemacht,
100 mal 100 Mikrometer, habe ich jetzt mal lang genommen.
Das ist nicht mal besonders klein. Wenn wir dann
dieses Einwatt normieren auf diese Fläche und dann noch berücksichtigen,
dass der Puls sehr, sehr kurz ist,
dann kommen wir auf eine Strahlungsleistung während der Puls auf der Probe ist,
von 10 hoch 17,
Jule pro Quadratmeter
pro Sekunde
Das bedeutet, die Leistung, mit der, die die Probe erfährt,
ist also gigantisch viel größer als die Strahlungsleistung der Sonne.
Es sind also sehr extreme Verhältnisse und es liegt im Wesentlichen daran,
dass die Pulse so kurz sind. Natürlich auch daran,
dass wir den klein machen, aber im Wesentlichen,
dass das Licht für so kurze Zeit auf die Probe fällt.
So, das hier ist unser zweites Arbeitstier.
Das Bild haben Sie gerade schon gesehen.
Das zeigt, das Bild zeigt die sogenannte Anrege Abtastmethode
Das ist die Methode, mit der man besonders schnelle Phänomene
gut sichter machen kann. Ich habe hier noch hingeschrieben,
dass etwas anderes Torposkop und ich habe ein kleines Experiment vorbereitet,
mit dem wir uns anschauen können, wie diese Methode funktioniert.
Die macht nämlich nichts anderes als ein Stoposkop. So,
das hier ist so ein Spruch in das Stoposkop. Ich weiß nicht,
ob Sie das schon mal gesehen haben, wahrscheinlich schon.
Das ist also eine Lampe, die ganz kurze Lichtwitze macht.
Ja, hier sieht man es. Und mit diesen kurzen
lichtblickenden Blitzen kann ich eine Bewegung sichtbar machen.
Ich nehme jetzt einfach mal hier das Aufspringen von dem Ball
Das ist natürlich ein bisschen witzlos, weil wenn es hier hell ist,
dann kann man das auch so gut sehen.
Deswegen machen wir es ein bisschen dunkel. Ein bisschen sehr
dunkel. Noch dunkler. Und ich habe jetzt hier meinen
Ball und ich lasse den fallen und sie werden sehen,
dass wir die Bewegung des Balles gut verfolgen können,
wenn wir den mit diesen Lichtblitzen hier bestrahlen.
Wir können auch die Frequenz ein bisschen, können wir nicht?
Doch. Ein bisschen langsamer machen
Dann sehen wir die Bewegung weniger gut.
Wenn aus dem Licht raushüpft, sehen wir sie noch schlechter.
Und wenn nicht die Frequenz entsprechend erhöhe,
dann kann ich die Bewegung wieder sehr gut zeigen.
In jedem Fall, hups, willst du sagen?
In jedem Fall kann ich die Position des Balles, meine Präsentation machen auch noch an.
In jedem Fall kann ich die Position des Balles gut bestimmen,
wenn die Pulse von meinem Staposkop kurz sind und kurz meint,
kurz gegen die Bewegung, mit der er sich gegen die Geschwindigkeit,
mit der sich der Ball belegt,
weil dann ist die Position ziemlich genau festgelegt,
solange der bestrahlt wird.
Und das ist die Idee hinter dieser Methode hier.
Ich habe also einen Ultra-Kurzpuls-Laser und jetzt ist auch klar,
warum ich einen Femto-Sekunden-Laser benutze, damit nämlich die Bestrahlzeit meiner Probe,
die sich bewegt, möglichst kurz bleibt.
So, dann nehme ich meinen Laserpuls,
ich teile den auf in einen Teil,
den ich für die Anregung brauche.
Das ist dieser Teil hier,
wir nennen den Pump-Puls
Das ist also der Puls, der in der Probe eine Dynamik erzeugt.
Und dann haben wir den sogenannten Probe-Pulse. Das ist mein Stopposkop-Blitz,
mit dem ich die Probe bestrahle und abhängig von der Bewegung in der Probe
wird dieser Probe-Pulse reflektiert und zeigt mir dann die Bewegung oder die Dynamik,
die in der Probe vorhanden ist.
Jetzt haben wir also verstanden, wie wir die Bewegung sehen können.
Und jetzt zeige ich ihnen noch, wie wir diese Bewegung erzeugen können.
Auch dafür gibt es ein schönes, einfaches Modell.
Und zwar ist es einfach ein mechanisches Pendel.
Und ich möchte jetzt dieses Pendel anregen. Dafür gibt es
im Prinzip zwei Möglichkeiten. Ich kann einfach so machen.
Das kann ich auch optisch machen. Dann nennen wir das
eine Rahman-Anregung. In dem Fall machen wir aber was anderes,
nämlich die zweite Art, dieses Pendel anzuregen ist,
indem ich den Gleichgewichtspunkt einfach verschiebe.
Und zwar schnell. Und dann fängt es an zu schwingen.
Ich kann es auch einmal langsam machen.
Und sie sehen, dass es nicht schwingt
Also wieder ein Grund, warum ich Fempto-Sekunden-Pulse brauche,
weil ich das Ende, mein Ostilator, also meine Probe,
schnell anregen muss, damit ich diese Dynamik erzeugen kann.
Und ich kann mit dieser Anregung auch lustige Dinge machen,
zum Beispiel kann ich die Amplitude erhöhen, wenn ich zum zweiten Mal anrege.
Ich weiß nicht, ob man es jetzt gesehen hat,
erste Anregung, zweite Anregung, Amplitude ist höher.
Ich kann das Pendel auch ausschalten. Erste Anregung, zweite Anregung des Pendels aus.
Ob ich das Pendel stärker pendeln lasse oder ob ich es ausschalte,
hängt davon ab, zu welchem Zeitpunkt meine zweite Anregung kommt.
Kommt die, wenn das Pendel hier ist,
dann wird die Amplitute stärker oder kommt die,
wenn das Pendel hier ist,
dann wird die Amplitute schwächer oder geht aus.
Man nennt das die relative Phase der zweiten Anregung zur Oszillation oder zu,
ja, die relative Phase der zweiten Anregung zur Phase des Oszillators.
Und genau das Gleiche machen wir jetzt mit unseren Festkörpern.
Und dafür nehmen wir jetzt nicht ein Pendel-Modell, sondern ein Massen- und Federn-Modell.
Mathematisch ist das das Gleiche, weil das ist ein harmonischer Ostellator.
In dem Fall ist es aber so, dass ich viele
Ostilatoren habe und die über diese Federn schon gekoppelt sind.
Deswegen ist es hier das bessere Modell. Und ich habe
hier dreimal meine Probe aufgebaut. Meine Probe besteht,
also das Modell meiner Probe besteht jetzt aus einer Linie von Massen.
Das sind die Atome oder die Einheitszellen in dem Kristall.
Und ich habe hier dreimal die Probe aufgebaut und zwar zu
drei verschiedenen Zeitpunkten
Wenn die Probe nicht angeregt ist,
das ist die erste Anregung hier, oder die erste Linie.
Das zweite Mal zum Zeitpunkt der Anregung, das heißt,
übersetzt auf das Pendelmodell, ist es dieser Zeitpunkt hier.
Die erste Linie, da ist das Pendel in Ruhe,
die zweite Linie, da habe ich die Anregung gemacht.
Das Pendel hat sich aber noch nicht bewegt. Das ist
die zweite Linie. Und die Anregung ist in dem Modell
repräsentiert durch diese kleinen roten Stöckchen, die ich hier einbaue.
Die führen dazu, dass die Federn gespannt sind,
also die Kette möchte expandieren.
Es ist aber noch nicht genug Zeit vergangen,
dass die
schon expandiert ist
Und die letzte Anregung ist dann sozusagen, nachdem der Prozess vorbei ist,
die Kette von Massen und Fehlern konnte expandieren.
Das heißt, diese Ausdehnung ist durch die Kette durchgelaufen.
Das ist ein klassisches Modell. Es ist relativ einfach,
das aufzustellen, das zu berechnen. Es ist nicht ganz so einfach,
weil ich natürlich in dem Kristall sehr viele Atome und Einheitszeiten habe.
Und deswegen wird die Rechnung ein bisschen aufwendig, aber am Computer können wir das leicht machen.
Und dann sieht das Ergebnis so aus. Wir kriegen jetzt also einen zweidimensionale,
eine zweidimensionale Matrix, so wie unser Modell,
zwei Dimensionen hat, nämlich einmal die Länge,
also die Länge entlang der Kette,
das ist auf dieser Achse hier gezeigt und die Zeit,
das ist diese Dimension,
vor der Anregung zum Zeitpunkt der Anregung und hier sind viele Zeitschritte ausgelassen am Ende der Anregung.
Wenn wir das jetzt in den Computer programmieren und das Modell laufen lassen,
dann sieht es so aus, ich habe hier die Struktur,
die Länge der Probe und hier vergeht die Zeit zum Zeitpunkt hier gleich null,
trifft mein Laserpuls auf die Struktur
Die Struktur ist so aufgebaut, dass nur die obersten Einheitszellen den Laserpuls attorbieren.
Also nur die werden angeregt. Deswegen verscheiden die hier rot.
Und die Amplitude geht hoch. Also die dehnen sich aus.
Und gleichzeitig läuft eine Schallwelle in den nicht an geregten Teil hinein.
Wenn ich jetzt hier noch zu späten Zeitpunkten schaue,
dann sehe ich, dass diese Struktur,
also die angeregte Struktur auch noch ausgedingt bleibt,
um hingegen das für das Substrat nicht gilt.
Und das liegt daran,
dass wir mit dem Laserpuls unsere Struktur auch warm machen,
um den wir sie warm machen,
dann dehnt die sich natürlich aus
Das kann ich auch dem Experiment sehen. Hier ist nochmal
eine andere Simulation gezeigt. Hier ist simuliert wie ein Laserstrahl,
einen kleinen Fleck der Probe, aufheizen.
Und das führt dann zu einer Ausdehnung der Probe.
Und das kann ich im Experiment auch messen,
wenn ich einen Lichtstrahl über den angeregten Bereich führe,
dann sehe ich, wie sich die Richtung der Reflektivität ein bisschen verändert.
Und diese Änderung kann ich über ein Beugungsexperiment dann messen.
In dem Fall, weil die Änderung hier sehr klein sind,
also in unserem Experiment hat sich die probe hier um 40 Nanometer ausgedehnt.
Also es ist nicht sehr viel. Und damit ich so eine kleine Änderung sehen kann,
kann ich das nicht mit einfachem Licht machen,
sondern ich muss einen Röntgenstrahl benutzen,
der eine viel kleinere Wellenlänge hat und deswegen sensitiv auf so kleine Änderungen ist.
Aber im Prinzip ist es einfach die Reflektivität von der gekrümmten Oberfläche.
So, welche Schwingungen erzeuge ich denn,
wenn ich meinen Laserpuls auf meine Probe schicke?
Mit unserem einfachen Modell haben wir nur eine mögliche Schwingung simuliert.
Und das ist diese sogenannte Longy-Turinalwelle
Die Welle, die senkrecht vom Laserpuls nach unten läuft,
wenn der Puls punktförmig ist,
dann läuft die wie eine Kreiswelle in alle Richtungen.
Also ähnlich wie wenn ich einen Stein in den See schmeiße,
dann sehe ich, dass eine Druckwelle in alle Richtungen wegläuft.
Aber zusätzlich dazu gibt es noch andere Schwingungsschwingungsmoden, die sich ausbilden.
Das sind zum Beispiel Sharewellen, also Wellen,
in denen sich die Einheitszeilen so gegeneinander bewegen,
nicht so wie bei der Longy Tourinalwelle.
Und es gibt insbesondere auch Wellen, die an der Oberfläche
der Probe laufen, das sind diese genannten Raily-Moden.
Hier ist ein Bild mal gezeigt, wie so eine Raily-Welle aussieht.
Die hat Anteile von Kompressionen und zwar Kompressionen für senkrecht
zur Oberfläche, aber auch Kompressionen parallel zur Oberfläche.
Und die hat auch Anteile von sogenannten Skierwellen, also Sharewellen,
bei denen sich die Atome schräg gegeneinander bewegen.
Es ist also ein bisschen komplexere Struktur.
Deswegen kann man die auch nicht so einfach simulieren,
weil man einfach mehrere Dimensionen in sein Modell einbauen muss.
Und deswegen erhöht sich dann der Rechenaufwand, aber das Prinzip der Erzeugung
kann man sagen, ist das Gleiche wie bei diesen Longby-Turginalbällen.
So, ich kann diese Raily-Wellen auch mit einem Laserpuls anregen und darum soll es jetzt im Folgenden auch gehen. Wir haben ja gesehen,
dass sich die Longby-Turginalwellen mit dem Laserpuls anregen kann,
indem ich einfach auf einen kurzen Puls auf diese Probe schieße und um so eine Raily-Welle,
also eine oberflächengebundene Welle anzuregen,
muss ich jetzt mehrere Pulse auf die Oberfläche schießen und zwar alle gleichzeitig,
also man kann sich das vorstellen wie so ein Kammmuster,
das ich auf diese Probe schreibe, indem ich Ja,
in dem ich die Lichtintensität auf der Probe entlang,
eine Ortskoordinate moduliere.
Und so sieht dann die Intensität aus,
wie die Intensität hat die gleiche Form wie die Mode der
Raily-Welle und deswegen wird diese Raily-Welle dann auch bevorzugt angeregt.
Für diese Erzeugung habe ich Ihnen auch ein kleines Experiment gebracht,
man nennt es hier einfach eine optische Abbildung, eine Phasenmaske.
Das Experiment ist nicht das Gleiche, aber es zeigt das
Prinzip und zwar als Phasenmaske benutze ich jetzt ein Bild einer Blume,
das habe ich jetzt hier schon eingebaut, das zeige ich Ihnen nicht.
Und als Abbildung zeige ich Ihnen eine sogenannte Zonenplatte. Das ist eine Zonenplatte,
ist ein interessantes optisches Bauteil, mit dem ich eine Abbildung erzeugen kann,
indem ich die Interferenz, man sieht es leider nicht besonders gut,
indem ich die Interferenz von gebeugten Wellen so wähle,
dass die sich in einem bestimmten Punkt überlagern,
also was sie hier sehen oder vielleicht doch nicht so sehen,
ist ein Ringmuster, hier so ein heller Punkt in der Mitte,
Da ist sozusagen Transmission und nach außen sind ringförmige,
sind also Ringe in diese Ringe auf dieser Platte aufgraviert,
die in unterschiedlichen Radius und eine unterschiedliche Dicke haben.
Ich kann es leider nicht größer zeigen. Sowas ist jetzt
in dieser Abbildung eingebaut. Das ist an dieser Stelle hier
, das ist meine Zonenplatte. Und jetzt brauche ich noch
eine Lichtquelle, das ist so eine Lichtbogenlampe
Und jetzt muss ich es wieder dunkel machen,
sonst sieht man nichts. Und noch ein bisschen justieren,
das gehört für den Experimentalphysiker zum Alltag leider.
Und leider sind wir immer noch nichts.
Also ich habe es vorhin ausprobiert,
das hat alles wunderbar funktioniert, aber das hilft jetzt wahrscheinlich
nicht weiter
Ah, da haben wir es doch. So, hier sind die,
also die Blume. Das ist sozusagen das ursprüngliche Bild,
abgebildet über ein defraktives Element. Deswegen wollte ich Ihnen das zeigen,
weil was wir hier abbilden, ist auch ein defraktives Element,
eine sogenannte Phasenmaske. Das ist eigentlich ein Streifengitter,
das in dem Fall über zwei Linsen auf die Probe abgebildet wird,
sodass ich wieder entstreifen musste, habe.
Dass dann mein Raily Mode anregt,
bevor die Lampe kaputt geht, wo sich ein bisschen nachziehen.
Hier ist ein bisschen was anderes, aber man trotzdem,
dass ich auch sozusagen komplexere Strukturen über defaktive Elemente abbilden kann.
Das war im Wesentlichen, was ich ihnen jetzt zeigen wollte.
Und das ist das, was wir in dem Experiment dann auch benutzen.
Zum Glück hat es noch geklappt. So,
hier ist dann auch noch mal ein Bild,
wenn wir eine Kamera an die Stelle der Probe halten,
dann sehen wir schön,
wie wir einen Streifenmuster der Intensität haben und damit dann eben
so eine Oberflächenschallwelle anregen können
Um dir zu messen, ich hatte ja gerade schon gesagt,
um diese kleinen Änderungen der thermischen Ausdehnung an der Oberfläche zu messen,
brauchen wir Röntgenstrahlen. Die Änderungen, die wir jetzt erwarten,
von so einer Oberflächenschallwelle sind noch viel kleiner,
also viel kleiner als 40 Nanometer.
Deswegen brauchen wir wieder Röntgenstrahlen und in unserem Fall haben wir
die Röntgenstrahlen vom ESRF bekommen.
Das ist die europäische Synchrotronstrahlungsquelle in Krenoble,
dass es dieser Speicherung hier,
was sehr ähnliches steht,
auch hier in Hamburg
an Petra
Das hier ist also meine Lampe,
meine Lichtquelle und da drin habe ich auch, oder haben wir auch,
oder viele Forscher haben da drin ihre Experimente aufgebaut,
die sie dann, wo sie dann die Syncrotronstrahlung nutzen,
um kleinste Strukturen sichtbar zu machen.
So, und so sieht dann also unser Experiment aus.
Das ist wieder ein Anreger Abtastaufbau. Im Prinzip das Gleiche,
was wir vorhin gesehen haben, als wir über das Stroposkop gesprochen haben.
Wir haben hier einen Anregepuls, das ist mein Fan-To-Sekunden-Laser,
und ein Abtastpuls oder einen Stroposkoplitz. In dem Fall ist
es ein Röntgenstrahl, der aus dem Syncrotron abgestrahlt wird.
Hier erkennen sie die Abbildung der Phasenmaske auf die Probe,
sodass wir hier eine Raily-Welle erzeugen.
Und hier ist nochmal reingezoomt, wie das Experiment im Detail aussieht.
Hier kommt der Laserstrahl senkrecht zur Oberfläche der Probe,
der bildet die Phasenmaske ab, sodass sich hier eine periodische Modulation der Oberfläche erhalte.
Und die frage ich ab, also die messe ich mit meinem Probe-Stahl,
das ist mein Syncord von Strahl,
der fällt und der relativ klein im Winkel auf die Probe ein.
Und dann halte ich auf die andere Seite der Probe meinen Detektor,
hier ist ein Detektorbild gezeigt und auf den sie
drei beziehungsweise zwei helle Punkte und einen ganz kleinen Punkt.
Dieser untere Punkt ist der sogenannte Direktstrahl. Der interessiert uns
nicht besonders. Das ist der Anteil von Bröntgenlicht,
der einfach an der Probe vorbei fliegt.
Dann gibt es hier den sogenannten spekularen Reflex.
Das ist sowas wie die Totalreflexion. Also wenn ich hier
einen Spiegel hinhalten würde, dann würde ich diesen Punkt genauso kriegen.
Und dann habe ich hier den interessanten Fleck,
das ist dieser kleine Licht, dieser kleine Fleck hier.
Das ist der gebeugte Lichtstrahl von der Struktur hier an der Oberfläche.
Und auch das Experiment können wir im Prinzip
hier wiederholen
Ich habe hier mein Synchrotron dabei. Das ist einfach mein Laserpointer. Und meine Struktur,
das ist in dem Fall wieder ein Gitter,
also es ist ein, wenn man gucken,
wie es ausgerichtet ist, ob ich es richtig halte, ja.
Es ist also ein Gitter, in dem, sie können es nicht sehen,
aber in dem sehr kleinen Abständen Streifenmuster hier eingebracht sind.
Und ich mache jetzt einfach dieses Experiment nach und dann werden wir
auch leicht verstehen, wie dieses Messergebnis hier zustande kommt.
Hier ist nämlich gezeigt, der Einfallswinkel,
also der Winkel des Röntgenstrahls zur Oberfläche der Probe,
der Ausfallswinkel, also der Winkel,
in dem das reflektierte Licht zur Probe steht und die Farbe sagt uns,
wie viel Licht, also wie stark das Licht ist,
das da reflektiert wird.
Und wir machen das jetzt hier also nach oder ich mache
das jetzt hier nach, ich nehme meinen Lichtstrahl,
das ist jetzt hier der grüne Tral und bringe meine Probe rein,
das ist nicht ganz einfach, weil der Winkel so flach ist.
Aber wir sehen, jetzt habe ich einen relativ steilen Winkel,
wir sehen, dass also Licht von der Probe reflektiert wird.
Und hier gibt es jetzt mehrere Lichtpull-Punkte, das ist einmal
ein ganz heller. Und wenn ich die Probe drehe,
Also wenn ich mich entlang dieser Achse hier bewege,
wenn ich die Probe jetzt drehe,
dann ändert sich die Position dieses hellen Punktes.
Das ist diese schwarze Linie hier. Das ist einfach,
diese Linie zeigt, wie der Direktstrahl über den Detektor läuft,
wenn ich den Winkel verändere.
Und dann schauen wir jetzt noch auf den anderen Punkt,
auf die anderen Punkte. Dann sehen wir hier nochmal im
Wesentlichen zwei Punkte, die von Interesse sind.
Das ist der Punkt über dem Spekularen,
also über dem Direktreflektierten
Und der Punkt darunter. Wenn ich es hinkriege,
den Winkel ganz flach zu machen, dann werden sie auch sehen,
dass der untere Punkt bei ganz flachem Winkel verschwindet,
weil die Beugung im Horizonter Probe steckt.
Hier sieht man es, hat man es gerade ein bisschen gesehen.
Hier ist er weg. Was man auch sieht, ist,
wenn ich den Winkel erhöhe, dann rutschen die Punkte enger zusammen.
Und das sehen wir auch hier,
wenn wir die Linien hier fortsetzen,
dass der Abstand zwischen den Beugungsordnungen und dem spekularen Reflex immer kleiner wird.
Es ist also sozusagen die Signatur der Reflexion von einer
periodischen Struktur auf der Probenoberfläche
Wir haben uns da noch ein bisschen Gedanken gemacht,
wie kommt diese Reflexion zustande? Dann kann man so ein Beugungsintegral aufstellen,
wenn man das für den Fall des Streifen den Einfalls macht,
dann findet man was ganz Interessantes, nämlich,
dass die Intensität, das ist dieses I hier,
die hängt quadratisch ab von der Höhe der Modulation auf der Probe.
Dieses U ist sozusagen die Höhe meines Berges von dem angeregten Licht.
Das bedeutet, wenn ich den Berg hier doppelt so groß mache,
indem ich die Probe stärker anträge,
dann bekomme ich viermal mehr Licht in dieser gebeugten ersten Ordnung
Das haben wir auch nachgemessen. Hier ist die Intensität der ersten Ordnung,
über der Fluenz, also über der Stärke der Anregung,
wenn nicht die Fluenz verdoppelt,
dann sehe ich ein quadratischer Zug und dann sehe ich eine quadratische Zunahme der Intensität,
also des Lichts auf der Probe, auf dem Detektor.
Das hier ist nun ein Messergebnis von einer anrege Abtastmessung,
also wir messen die Intensität der ersten Beugungsordnung,
wie viel Licht fällt auf den Detektor unter dem Winkel der ersten Beugungsordnung über der Zeit.
Wir gucken also zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach der Anregung,
wie sich die Intensität ändert. Und da sehen wir folgendes Verhalten.
Erstmal steigt die Intensität an und dann fängt die Intensität an zu schwingen,
aber nicht um die ursprüngliche Intensität,
also um die ursprüngliche Position, sondern um eine neue Hintergrundsposition.
Und das kann man sich so erklären. Wir haben ja zum einen eine Anregung,
die die Probe heiß macht und diese Wärme,
die in die Probe eingebracht ist, die ist räumlich fest.
Die ändert sich nicht zumindest, nicht auf der Zeitskala von dem Experiment,
dies in dem Bild hier, orange eingezeichnet.
Und dazu haben wir aber noch unsere erzeugte Schallwelle.
Und die Schallwelle, die propagiert über die Oberfläche und mal
überlagert die sich mit diesem thermischen Untergrund.
Und mal ist die genau gegenphasig. Also da,
wo das Maximum des thermischen Untergrundes ist,
ist mal das Maximum der Schallwelle oder mal ist das Maximum der Schallwelle genau da,
wo das Minimum des thermischen Untergrundes ist.
Und dieser Unterschied, der führt dazu,
dass die Höhe dieser Auslenkung an der Oberfläche, also mein Parameter U,
den ich vorhin in meinem Beugungsmodell hatte, dass der sich ändert.
Mit der Zeit, nämlich mit der Propagation der Schallwelle.
Und diese Änderung sehe ich also hier in der Osttillation der Perioden.
Und wenn ich mir die Frequenz dieser Periode anschaue,
dann lerne ich was über die Schallgeschwindigkeit von dieser speziellen Raily-Mode.
Also ich weiß, wie schnell sich die ausbreitet und wenn ich das weiß,
deswegen ist diese Messung für uns interessant, finde ich.
Das weiß, dann lerne ich was über die elastischen,
also über die mechanischen Eigenschaften des Materials,
in denen die Welle propagiert.
So, hier ist dieses Ergebnis nochmal anders dargestellt.
Und zwar, was ich jetzt ausgenutzt habe,
ist dieser quadratische Abhängigkeit der Intensität von der Höhe der Auslenkung
Ich kann jetzt nämlich die Intensität so normieren,
dass ich aus der Intensität die Höhe der Auslenkung ablesen kann.
Und deswegen habe ich an die Skala hier auch Nanometer rangeschrieben.
Und hier können wir also messen, dass sich die Oberfläche um wenige Angst rühmen ausdehnt.
Und dass die Modulation der Schallwelle auch ungefähr zwei Angst drum besteht, beträgt.
Und wir können auch diese Schallwelle nochmal zerlegen, also in unterschiedlichem Boden. Und dann sehen wir,
dass es im Prinzip zwei Schallwellen sind,
die an der Oberfläche propagieren,
nämlich das ist eine diese Pinke Mode,
sage ich mal hier, diese SAW Surface Acustic Wave,
das ist ein anderes Wort für die Raily Mode und dann eine sogenannte Surface Gimming Lomitudinal Wave,
ist nochmal eine andere Art der Schallausbreitung an der Oberfläche.
Und das kann ich wieder in ein Modell packen und
damit kann ich dann die Schallausbreitung an der Oberfläche beschreiben.
So, hier haben wir noch ein kleines Video,
wie das aussieht, das ist eine kleine Reichen,
ups,
eine kleine Rechnung
Ich weiß jetzt leider nicht, welche Tastatur an den angefangen?
Nein, die nicht. So, das ist also einmal
gerechnet, wie sich die Oberfläche über die Zeit verhält.
Wir haben also hier unsere streifenförmige Anregung und die ist moduliert mit der Zeit,
in dem die Schallwelle hier an der Oberfläche propagiert,
was jetzt in der Simulation nicht drin steckt, ist die thermische Ausdehnung,
also eigentlich läuft diese Schwingung nicht um den Nullpunkt,
sondern um einen thermischen Hintergrund,
unter dieser Schaltpropagation noch liegt.
Ja. So. Wie ich am Anfang gesagt habe,
wollen wir nicht nur Schwingungen erzeugen, sondern wir wollen die Schwingungen auch kontrollieren.
Und wie wir an dem Pendelmodell gesehen haben,
ich mache es nochmal, können wir die Schwingung kontrollieren,
wenn wir mehrere Anregungen verwenden.
Also ich kann die einschalten,
ich kann sie größer machen oder ich kann sie wieder ausschalten
Mir macht das so Spaß, ich mache das gerne,
deswegen mache ich das oft. So,
also um die zu kontrollieren, brauchen wir eine zweite Anregung.
In unserem speziellen Experiment haben wir aber noch einen zweiten Freiheitsgrad.
Wir haben nämlich eine periodische Anregung periodisch im Ort.
Und diesen räumlichen Freiheitsgrad, den können wir auch nutzen.
Wir können nämlich die zweite Anregung mit der ersten räumlich überlagern
oder wir können die räumlich verschieben,
sodass die genau im Minimum der ersten Anregung auf die Probe auftrifft.
Und je nachdem, wie ich diese räumliche Phase wähle,
kann ich den Zustand der Verspannung oder der Propagation der Schreibwellen
auf der Oberfläche auch kontrollieren.
Das ist einmal hier gezeigt, das ist jetzt die räumliche Phase.
Das ist ein ähnliches Bild, wie wir es vorhin schon gesehen haben.
Hier ist einmal eine Längenachse und hier ist eine Zeitachse und
die Amplitute sagt einem die Ausdehnung der Oberfläche.
Hier ist der Zeitpunkt der ersten Anregung. Die Oberfläche dehnt
sich aus in dieser streifenförmigen, kampfförmigen Ausdehnung und dann vergeht
ein bisschen Zeit und dann kommt die zweite Anregung.
In dem Beispiel hier ist die zweite Anregung genau gegenphasig zur ersten.
Das heißt, da, wo die Probe kalt ist,
wird sie jetzt heiß gemacht.
Da dehnt die sich aus und dann ist die Probe oben flach.
In dem zweiten Beispiel ist die genau räumlich in Phase mit
der ersten Anregung und dann dehnt die sich nochmal extra stark aus an der Oberfläche.
Und mit unserem Röntgenstrahl können wir jetzt auch bestimmen, welchen Fall wir hier haben.
Also hier ist die Intensität der gebeugten ersten Ordnung,
die uns ja sagt, wie stark die Probe ausgedehnt ist.
Und hier ist diese räumliche Phase aufgetragen.
Und wir sehen, wenn wir die räumliche Phase verschieben,
dann können wir die Beugung Ähm, einmal einschalten.
Und wenn wir sie weiterverschieben, können wir sie auch wieder ausschalten.
Indem wir den räumlichen Überlaub der beiden Anregungen geschickt wählen.
Das Gleiche ist einmal in der Zeit, also die zeitliche Kohärenz ausgenutzt.
Das ist wieder eine räumliche Koordinate hier. Das ist die
zeitliche Koordinate. Die räumliche Koordinate bleibt jetzt fest. Und
zwar so, dass die Probe immer so angeregt wird,
dass nach der zweiten Anregung die Oberfläche flach ist.
Es wird also nichts mehr gebeugt in die erste Ordnung.
Und jetzt kann ich mit der zweiten, mit dem Zeitpunkt
der zweiten Anregung wählen, wie lange von der Oberfläche gebeugt wird.
In dem Fall, im Fall der schwarzen Kurve,
sind das 50 Pico-Sekunden, 100 Pico-Sekunden, 200 Pico-Sekunden.
Ich kann das auch länger machen, indem ich einfach die
zweite Anregung ein bisschen später auf die Probe fallen lassen.
So sieht der experimentelle Aufbau in Wirklichkeit aus.
Das Ganze ist aufgebaut auf ein sogenanntes Bradboard.
Hier kommt der Laserstrahl rein. Der wird einmal geteilt in
einem Strahlteiler. BES steht für Bean Splitter. Für die
beiden Anregungen. Das hier ist die erste Anregung.
Die geht auf den Spiegel,
wieder auf den Strahlteiler zurück
Läuft dann über einen Zwei-Spiegel in den Aufbau der Abbildung.
Hier an der Position ist meine Phasenmaske, die macht mir zwei Ordnungen,
die dann wieder auf der Probe fokussiert werden,
sodass ich hier meinen Streifenmuster bekomme.
Und hier ist die Probe. Und das hier ist der
Weg der zweiten Anregung. Hier ist wieder ein Spiegel,
der ist aber auf einer mechanischen Verschiebebühne aufgebaut,
sodass ich den Zeitpunkt ändern kann,
indem ich den Spiegel entweder nach vorne oder nach hinten schiebe.
Und dann habe ich hier noch einen motorisierten Spiegel,
damit ich den kippen kann und mit der Kippung
die räumliche Phase kontrollieren kann
Das Ganze muss dann, wie wir gesehen haben,
senkrecht auf die Probe zeigen. Das war ein bisschen tricky.
Wir mussten also dieses große Bradboard an so einem Rahmen mehr oder weniger
von der Decke hängen lassen. Das wiegt ungefähr 30,
40 Kilo und muss also relativ stabil und genau justierbar sein
mit einer Genauigkeit von, sagen wir mal, zehn Mikrometern ungefähr.
Und wie man sieht, hat das einige ein bisschen Hirnschmalz gekostet.
Hier gucken wir von oben auf den Aufbau.
Also hier ist wieder dieses Bradboard. Wir gucken also von oben auf den Tisch,
an dem das Experiment stattfindet, an diesem Arm,
ist die Probe justiert, der Arm ist drehbar, das heißt,
er ändert den Einfallswinkel, so wie wir es vorhin mit dem Gitterexperiment gemacht haben.
Das hier ist eine Kamera, die auf die Probe guckt,
dann können wir schauen,
ob man alles gut hält und der Röntgenstrahl läuft unter der Kamera auf die Probe,
wird von der Probe reflektiert und läuft dann auf den Detektor hier.
Der Detektor ist diese, wie sieht man,
ein bisschen besser, ist diese kistliche.
So, das war der erste Aufbau von diesem Experiment
Wir haben dann ein bisschen weiter überlegt, wie können wir
den Aufbau optimieren und sind dann auf so einen Aufbau gekommen.
Und das Ganze ist jetzt ein bisschen verkleinert.
Wir haben ein paar spezielle Komponenten benutzt.
Zum Teil mussten wir dieselbe herstellen. Also hier haben wir
zum Beispiel eine Linsitzer sägen müssen, damit die hier reinpasst.
Und insgesamt ist der Aufbau jetzt kleiner als ein DIN A4-Blatt.
Kann aber das Gleiche. Und ist wesentlich einfacher für
solche Experimente wesentlich besser für solche Experimente geeignet,
weil er besser montiert werden kann und damit viel stabiler ist
So, und mit diesem neuen Aufbau haben wir dann nochmal die Kontrolle nachgemessen.
Und wir sehen, also wir können vier verschiedene,
im Prinzip vier verschiedene Situationen auf der Probe erzeugen.
Wir können entweder nur die thermische Ausdehnung erzeugen. Wir können also
die Schallwelle komplett ausschalten. Wir können natürlich die Schallwelle verstärken.
Wir können den thermischen Untergrund ausschalten. Also wir können auch
die thermische Verspannung auf der Oberfläche regeln, was interessant ist,
weil die thermische Anregung an sich keine kohärente Anregung ist.
Also es ist erstmal interessant, dass man die überhaupt kontrollieren kann,
blaue Kurve, da läuft nur noch die Schallwelle an der
Oberfläche oder wir können die Dynamik komplett ausschalten.
Also wir haben sozusagen die Kontrolle, er ist Verspannungszustand auf
der Probe dann erreicht. So, was können wir damit machen?
Jetzt kommt noch ein kurzer Ausblick über sozusagen die Themen,
für die wir diese Technik anwenden wollen, ein Gebiet,
auf dem wir arbeiten, es sind sogenannte aktive Röntgenoptiken.
Das hat wieder mit dem Stroposkop-Charakter unseres Experiments zu tun im Wesentlichen. Wir haben ja gesehen,
die Kürzer, der Lichtblitz ist, umso kürzere,
umso schnellere Phänomene können wir uns angucken und die Pulsdauer ist im Wesentlichen nicht so einfach herzustellen,
also nicht so einfach zu verkürzen,
ein Synchrontrons typischerweise hat man hier Pulse von 100 Pico-Sekunden und man möchte gerne Impulse haben,
die wesentlich kürzer sind.
Also vielleicht 100 Fento-Sekunden oder eine Pico-Sekunde oder so und eine Möglichkeit,
das zu erreichen,
sind sogenannte Breakswitches oder es gibt eigentlich keine deutsche Entsprechung für den Namen,
also das sind Schalter, die darauf beruhen,
dass man Gitterabstand in einem Kristall moduliert.
Und das macht man am besten mit einer Schallwelle.
Und die Idee ist, dass ich einen Aufbau habe,
den wir es eben schon gesehen haben, also einen Laser an einem Symnvertrauen.
Das Symnvertrauen liefert mir meinen Stopposkoplitz,
mit dem ich die Dynamik in der Probe auslesen will.
Und bevor ich meine Probe montiere, das ist hier
dieser blaue Streifen, baue ich so einen Breakschalter ein.
Den rege ich dann auch optisch an. Und der ändert
die Reflektivität über die Modulation der Skitterabstands hier für einen sehr kurzen Zeitpunkt.
Und dann ist dieser lange Puls im Wesentlichen unterdrückt,
bis auf einen kurzen
Blitz und mit diesem Blitz kann ich dann eine hohe Zeitauflösung für
mein Experiment erreichen. Eine Messung haben wir hier schon gesehen,
das ist die Messung von der Folie vorher.
Hier haben wir also 50 Pico-Sekunden als kürzesten Blitz erreicht mit einem anderen Schalter,
waren wir hier schon so bei fünf Pico-Sekunden.
Das ist ein bisschen ein anderes Prinzip, ein bisschen anders auch gemessen,
aber basiert auch auf der Propagation von Schallwellen in dem Festkörper.
Die Frage dabei ist natürlich noch, ist das schon gut genug,
damit man das anwenden kann und die Antwort ist,
naja, Also wir vergleichen es am besten mit alternativen Puls-Verkürzungsmethoden.
Das fällt am ersten, hier ist ein Fempto-Slicing ein,
das ist ein sehr kompliziertes Verfahren, um einen Räumtgepuls zu verkürzen.
Das Ergebnis ist im Wesentlichen, würde ich fast sagen,
auch besser. Also die Pulsdauer ist kürzer,
die können 100 oder 200 Fempto-Sekunden Pulse mit Fempto-Slicing erzeugen.
Allerdings hat das Verfahren auch Nachteile, insbesondere,
dass ich es nicht sehr oft machen kann.
Ich kann das nur mit einer Wiederholrate von einem Kinoherz machen,
also tausendmal pro Sekunde und Synchrotron liefert aber Lichtpulse mit einem Megaherz oder noch mehr,
also ein Millionen Mal pro Sekunde, das heißt,
wenn ich Fantos Licing benutze, da muss ich ganz viele Pulse wegschmeißen.
Wenn man dagegen ein Breakswitch benutzt,
dann kann man das für jeden Räumkinmpuls machen,
also es gibt ihm keine prinzipielle Einschränkung,
warum das nicht funktionieren sollte und damit kann man ähnliches,
ein ähnliches, also kann man ähnliche Parameter erreichen,
wie mit dem, mit dieser alternativen Methode Fantos fleißig.
Das heißt, im Prinzip sind diese Reg-Shalter schon mal
gar nicht
so schlecht
So, worauf wollen wir das noch anwenden?
Ein Gebiet, an dem wir arbeiten, sind neuartige Nanostrukturen.
Das sind im Wesentlichen hier solche Ärger Petro-Structures. Die heißen Airgap,
also Luftlücke, weil die hier eine kleine Luftlücke haben.
Das ist also ein dünner Film,
der über solche kleinen Pfeiler mit einem Substrat verbunden ist,
aber im Wesentlichen frei schwingt.
Die Dimensionen sind die folgenden, die dicke von diesen
dünnen Filmen ist ungefähr 50 oder 100 Nanometern.
Und der Abstand dieser Luftlücke hier sind ungefähr 5 Nanometer.
Also das sind Elemente, die alle auf der Nanoskala
realisiert sind
Und die haben sehr interessante Eigenschaften,
also insbesondere auch elektronische oder optische Eigenschaften,
weil diese Pfeile hier sich wie Quantenpunkte verhalten.
Also ich habe hier ein Confinement, ich habe hier diskrete elektronische Zustände,
aus denen ich sehr effizient Licht generieren kann.
Und von daher sind die sozusagen geeignet,
zum Beispiel als effiziente Einzelphotonenquellen und verschiedene andere Anwendungen noch.
Die sind aber auch für uns interessant, besondere, belastische Eigenschaften aufweisen.
Das heißt, die Verformung von so einer Ärger-Petrostructure ist anders
als von einem epiteaktisch gewachsenen und von einer epiteaktisch gewachsenen Nano-Struktur.
Das sieht man hier zum Beispiel an dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Diese schwarze Linie ist der thermische Ausgrund, den Jungs koeffizient
von einem epiteaktischen Festkörpersystem. Und diese Ärger-Petrostructure war ich da
wesentlich von ab und zeigt sehr starke Verspannungen. Das heißt,
mit wenig Anregungen erzeuge ich viel strain und mit diesem hohen
Strain oder mit dieser hohen Verspannung kann ich eben wieder auf
die elektronischen oder andere Eigenschaften von dieser Struktur einwirken.
Und ich brauche nicht sehr viel Energie dafür, weil die so elastisch sind,
dass die sich von alleine schon stark verspannen wollen.
Und hier ist noch ein anderes Beispiel aus dem Bereich Caro Magnetismus.
Das sind auch Hoben, die wir in unserer Arbeitsgruppe herstellen,
also fairo magnetische Proben. Das heißt, die haben eine magnetische Kollarisation,
ohne Anregungen, zeigen die eine Magnetisierung in eine bestimmte Richtung.
Und wenn ich die mit solchen Schallwellen anrege hier,
über optische Methoden wieder, dann sehe ich,
wie die Magnetisierung schwingt und Magnetisierung schwingen zu lassen,
ist ein ganz interessanter Ist ein ganz interessanter Punkt,
weil ich damit,
weil ich über die Magnetisierung von Nanostrukturen Informationen speichern kann und wenn ich die Magnetisierung ändern kann,
dann kann ich diese Informationen bearbeiten und verarbeiten.
Und hier ist mal ein Beispiel gezeigt,
wo eine fairemagnetische Schicht auf einer dünnen Membran aufgebracht ist,
also das Substrat für diese magnetische Schicht ist nur 500 Nanometer dick.
Und wenn ich dort Schallwellen erzeuge,
dann sehe ich ganz interessante akustische Eigenschaften in dieser Membran,
also eine starke Auslenkung und neue Frequenzen,
die sich dort ausbreiten
Und das ist ein interessantes Forschungsgebiet, auf dem wir jetzt zurzeit gerade arbeiten.
So, also an der Stelle möchte ich dann einmal
noch zusammenfassen, was ich Ihnen heute erzählt habe.
Es ging im Wesentlichen um die Kontrolle des Kristalls Gitters,
also um Phononen, um Schallwellen, mit Lichtpulsen.
Wir haben also gesehen, wie wir solche Schallwellen über Fantasy-Kundenpulse
anregen können und was es für verschiedene Möglichkeiten gibt,
auch die Schallwellen im Festkörper
zu kontrollieren
Und gleichzeitig habe ich ein bisschen, nicht sehr viel,
aber ein bisschen erzählt zu möglichen Anwendungen.
Das sind insbesondere die elektronischen Eigenschaften, also das Ändern der elektronischen Zustände,
zu koppeln, elektronischer Zustände in Nano-Strukturen und die magnetischen Eigenschaften.
Und es gibt eine Reihe möglicher Anwendungen in der Quanteninformation,
in der Sensorik, in der Speichertechnik und in noch verschiedenen anderen Gebieten.
Und damit danke ich Ihnen für die Aufmerksamkeit,
vielleicht kurz noch meine Arbeitsgruppe, Dynamics in Solictionano Structures,
sind im Wesentlichen diese fünf Leute hier,
Roman und Norbert machen ihre Doktorarbeit bei uns und Resa Marvin sind gerade Bachelorstudenten.
Und falls sie noch Fragen haben, würde ich mich freuen,
wenn wir noch ein bisschen ins Gespräch kommen.
Ich bin dank
Untertitel der Amara.org-Community Tschüss.
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