Een groep onderzoekers onder leiding van Andrea Cavalleri van het Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg heeft een nieuwe methode gedemonstreerd die nauwkeurige metingen mogelijk maakt van de interatomaire krachten die kristallijne vaste stoffen bij elkaar houden. Het artikel Probing the Interatomic Potential of Solids door Strong-Field Non-linear Phononics, online gepubliceerd in Natuur , legt uit hoe een terahertz-frequentie laserpuls zeer grote vervormingen van het kristal kan veroorzaken. Door de hoogst ongebruikelijke atomaire banen te meten onder extreme elektromagnetische transiënten, de MPSD-groep zou kunnen reconstrueren hoe stijf de atomaire bindingen zijn op grote afstanden van de evenwichtsarrangementen. Dit belooft nieuwe inzichten in de mechanische eigenschappen van materie en hun instabiliteit nabij faseveranderingen.

Kristallen worden bij elkaar gehouden door extreem sterke krachten, die al hun thermische en mechanische eigenschappen bepalen. De temperatuur waarbij een bepaald materiaal smelt of van vorm verandert en de weerstand van het materiaal tegen druk- en schuifvervormingen worden allemaal bepaald door dit 'krachtveld'. Het is de basis van elke tekstboekbeschrijving van een materiaal en wordt routinematig berekend met geavanceerde theoretische methoden. Nog altijd, tot nu toe kon geen enkel experiment deze berekeningen kwantitatief valideren of op zijn minst het krachtveld meten.

In een recente studie van de MPSD-groep onder leiding van Andrea Cavalleri, ultrakorte laserflitsen op midden-infraroodfrequenties werden gebruikt om atomen ver weg van hun evenwichtsrangschikking te verplaatsen. Door te meten hoe dezelfde atomen gingen rinkelen nadat de impuls was uitgeschakeld, de MPSD-onderzoeksgroep zou de aard kunnen reconstrueren van de krachten die het kristal bij elkaar houden.

"We gebruiken sterke laservelden om de atomen naar verplaatsingen te drijven waar hun dynamiek niet langer kan worden beschreven binnen de harmonische benadering, " legt Alexander von Hoegen uit, doctoraat aan de MPSD en eerste auteur van dit artikel. "In deze situatie, de herstellende krachten die op de atomen werken zijn niet langer lineair evenredig met de verplaatsingen vanuit de evenwichtsposities, zoals ze zouden zijn in het geval van kleine schommelingen in een slinger."

Dergelijke niet-lineaire phononics komen bijvoorbeeld tot uiting door het feit dat de atomen niet alleen oscilleren op hun natuurlijke frequentie, maar ook met meerdere boventonen, de zogenaamde hogere harmonischen die in dit onderzoek zijn waargenomen.

De bijbehorende atomaire verplaatsingen, enorm op de schaal van de interatomaire afstanden, zijn niettemin slechts in de orde van enkele picometers, dat is een miljoenste van een miljardste van een meter. De trillingen werden getraceerd met een tweede, nog kortere laserpuls. Hoewel de atomen bleken te oscilleren met snelheden van meer dan 1000 m/s, hun beweging kon worden gevolgd in ultra-slow motion. Deze in de tijd opgeloste meting was de sleutel tot het reconstrueren van de krachten die op de atomen inwerken.

Dit werk van de MPSD stelt een nieuw type niet-lineaire spectroscopie vast dat een van de meest fundamentele microscopische eigenschappen van materialen vastlegt, de kracht van nieuwe geavanceerde optische bronnen onderstrepen en de weg vrijmaken voor een toekomst, nog meer inzichtelijke klasse van experimenten bij de Hamburg X-ray Free Electron Laser.