Kupfer verliert seine feste Struktur nicht sofort, wenn ein Laser es extrem abrupt erhitzt. Seine Atome bleiben länger teilweise geordnet als erwartet.
Um dieses Phänomen zu beobachten, richteten die Forschenden einen extrem kurzen Laserpuls auf eine dünne Kupferschicht. Der Laser erhitzt zunächst die Elektronen des Metalls. Diese übertragen anschließend einen Teil ihrer Energie auf die Atome, die dadurch stärker zu schwingen beginnen.
Natürliches Kupfer.
Bild Wikimedia
Auf dieser Zeitskala läuft alles innerhalb weniger Femtosekunden bis Pikosekunden ab. Eine Femtosekunde entspricht einem Millionstel eines milliardstel Sekunden. Das Team verwendete daher sehr kurze Elektronenpulse, um die Entwicklung der atomaren Ordnung direkt zu verfolgen.
Bei den Experimenten wurden absorbierte Energien eingesetzt, die dem Zwei- bis Vierfachen der für das ultraschnelle Schmelzen erforderlichen Schwelle entsprachen. Die Unordnung beginnt zunächst an der Oberfläche, geringfügig vor dem normalen Schmelzpunkt. Anschließend breitet sie sich rasch in das Innere des Materials aus.
Das überraschendste Ergebnis zeigt sich, wenn das Kupfer stark überhitzt wird. Einige Simulationen sagten für diesen Fall einen sehr schnellen Zusammenbruch seiner Kristallstruktur voraus. Die Messungen zeigen dagegen, dass diese atomare Ordnung allmählich verschwindet.
Neue Simulationen erklären diese Abweichung besser. Die älteren Modelle gingen unter anderem von zu statischen Druckbedingungen aus. Im Experiment können sich die Atome stärker bewegen und entspannen. Dadurch bewahren sie über die von einigen Modellen vorhergesagte Überhitzungsgrenze hinaus einen Teil ihrer Ordnung.
Die Studie zeigt außerdem, dass der Energietransfer zwischen den vom Laser erhitzten Elektronen und dem Atomgitter unter diesen Bedingungen relativ gering bleibt. Dieser Transfer beeinflusst direkt, wie schnell sich das Material erwärmt und verändert.
Diese Arbeiten können die Modelle verbessern, mit denen Materie beschrieben wird, die sehr schnellen Energieeinträgen ausgesetzt ist. Diese Frage ist insbesondere für die Forschung zur Kernfusion von Interesse, bei der bestimmte Materialien extremen Temperaturen und Energieströmen ausgesetzt sein können.
Die Forschenden möchten das Kupfer nun unter anderen Druckbedingungen testen. Außerdem wollen sie Kupferlegierungen untersuchen, die für bestimmte Komponenten vorgesehen sind, die in Fusionssystemen große Wärmemengen aufnehmen oder ableiten müssen.