Erstmals direkt beobachtet: Licht lässt Kristalle vibrieren

Ob Solarzelle oder Photodiode: Licht beeinflusst Materie auf vielerlei Weise und führt zu Änderungen in der elektronischen Struktur. Wie einfallendes Licht die Atome in einem Kristallgitter zum Wackeln bringt, konnten nun britische Forscher direkt beobachten.

Oxford (Großbritannien) - Mit ultrakurzen Femtosekunden-Pulsen im Röntgenbereich verfolgten sie die Vibrationen im Gitter eines ferroelektrischen Lithiumtitanat-Kristalls. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Nature" berichten, erlaubt diese Methode einen neuen Einblick in das Verhalten von optisch und elektronisch angeregten Festkörpern.

Lithiumtitanat wählten die Forscher vom Clarendon Laboratory an der University of Oxford als erste Testsubstanz bewusst. Dieses Material weist eine ferroelektrische Phase auf, die für ein nichtlineares Verhalten für Lichtwellen verantwortlich ist. Wird dieser Kristall nun mit einem polarisierten Infrarotstrahl eines gepulsten Lasers (800 Nanometer Wellenlänge, 70 Femtosekunden) bestrahlt, kommt es zu einer zeitabhängigen Polarisation von kohärent angeregten Phonon-Polaritonen. Diese Anregung entspricht anschaulich einem Vibrieren der einzelnen Atome im Kristallgitter.

 

Diese Vibrationen wandern wie eine Welle entlang der Oberfläche des Kristalls mit Frequenzen im Terahertz-Bereich. Dabei verschieben sich die Ladungen im Kristallgitter in der Größenordnung von tausendstel Nanometern. Mit dem Röntgenlicht einer Beamline am Synchrotronring der Diamond Light Source in Didcot nahe Oxford ließen sich diese Vibrationen direkt verfolgen. Denn je nach der periodisch auftretenden Versetzung der Ladungsträger im Kristallgitter wird der einfallende Röntgenstrahl anders gestreut.

Aus dem Diffraktionsmuster dieser reflektierten Röntgenpulse - aufgefangen mit einer speziellen Photodiode - schlossen Andrea Cavelleri und seine Kollegen auf die Bewegungen im Kristallgitter. "Ultraschnelle Röntgendiffraktion von Terahertz-Wellen eröffnet einen Weg zu neuen dynamischen Studien in komplexen Festkörpern", erläutern die Forscher. Es ist davon auszugehen, dass diese Methode in weiteren Versuchen zur Untersuchung der optischen Eigenschaften von Materialien auf atomarer Ebene angewendet wird.