Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in der Natur und ist für verschiedene technische Anwendungen von Bedeutung, beispielsweise als Bestandteil von Solarzellen oder Computerchips. Trotzdem ist über manche Eigenschaften des Halbmetalls noch wenig bekannt. Ein Forscherteam hat jetzt systematisch untersucht, wie sich das Element verhält, wenn es sehr schnell komprimiert wird. Dafür verwendete das internationale Team, an dem auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von DESY und Europas neuem Röntgenlaser European XFEL beteiligt waren, einen neuen Messaufbau. Die Messungen wurden am Röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS) des US-Beschleunigerzentrums SLAC in Kalifornien durchgeführt, die Ergebnisse sind jetzt im Fachjournal „Nature Physics“ erschienen.

Wenn Wissenschaftler etwas über Vorgänge und Materialien im Inneren von Planeten herausfinden möchten, versuchen sie oft, die dort vorliegenden Bedingungen so gut wie möglich im Labor nachzustellen. Dafür erzeugen sie hohen Druck und hohe Temperaturen, wie sie unter der Oberfläche vorherrschen. Um den nötigen Druck zu erzeugen, gibt es verschiedene Methoden, die sich durch die Geschwindigkeit unterscheiden, mit der die Proben zusammengedrückt werden. Wenn der Druck langsam verändert wird, spricht man von statischer Kompression, bei höheren Raten von dynamischer Kompression. Während Experimente mit statischer Kompression, wie man sie zum Beispiel mit sogenannten Diamantstempelzellen durchführen kann, die Bedingungen in kleineren Planeten besser nachstellen, ist es hier schwieriger, mit diesen Techniken sehr hohe Temperaturen und simultan hohe Drücke zu erreichen, wie sie in großen Exoplaneten vorherrschen, also den Planeten anderer Sterne. Um die Vorgänge in Exoplaneten bei sehr hohen Drücken und Temperaturen zu simulieren, sind dynamische Kompressionsexperimente nötig .

Eine Möglichkeit, Materialien besonders schnell zusammenzudrücken, besteht in der sogenannten Schockkompression, die man unter anderem mit einem Laser erzeugen kann. „Dafür verwenden wir einen starken Laser, der auf einen sehr kleinen Bereich gestrahlt wird, wodurch wir eine hohe Intensität erreichen“, erklärt Emma McBride, Erstautorin der Studie. „Der Laser erzeugt ein Plasma, das sich von der Probenoberfläche nach außen ausdehnt. Gleichzeitig entsteht als Folge der Impulserhaltung eine Welle in die entgegengesetzte Richtung, die die Probe zusammendrückt.“

Ein Problem bei den Messungen mit Schockkompression ist, dass sie zwar bei extremen Temperaturen durchgeführt werden können, die Ergebnisse der Messungen in manchen Fällen aber relativ ungenau sind. Während bei Silizium beispielsweise sehr gut bekannt ist, wie es sich bei statischer Kompression verhält, gab es unter den Forschern lange keinen Konsens darüber, welche Veränderungen das Material durchläuft, wenn es sehr schnell komprimiert wird.

„Der Grund dafür liegt in den Untersuchungsinstrumenten, die bei Schockkompressionsexperimenten verwendet wurden. Man benötigt sehr kurze Röntgenpulse mit großer Helligkeit, die nicht zur Verfügung standen“, erklärt DESY-Forscher Sven Toleikis, Ko-Autor der Studie. „Lange Zeit konnten Veränderungen in den Proben daher nur relativ ungenau erkannt werden. Sogenannte Freie-Elektronen-Laser wie die LCLS und der European XFEL machen es seit einigen Jahren möglich, die Strukturen auch bei einer Schockkompression viel genauer zu untersuchen, bis zur Ebene des Gitters der einzelnen Moleküle oder Atome.“ Doch auch mit den neuen Instrumenten ist es noch schwierig, kompliziertere Prozesse in Materialien zu erkennen, bei denen gleichzeitig verschiedene Strukturen oder Phasen vorliegen.

Dem Forscherteam um McBride ist es nun mit einem neuen Messaufbau gelungen, die verschiedenen Transformationen, die Silizium während der Schockkompression durchläuft, genau zu beobachten. Dafür positionierten die Wissenschaftler den Laser für die Kompression senkrecht zur Röntgenstrahlung. Bisher wurden beide fast parallel angeordnet. Die Messdaten zeigen, dass in Silizium zum Teil andere Transformationen stattfinden, als in früheren Studien vermutet. So beginnt das Material ab einem bestimmten Druck zu schmelzen, bisher hatte man aber angenommen, dass bei diesem Druck nur ein Übergang zu einer anderen festen Struktur stattfindet. Zusätzlich finden Übergänge zwischen festen Strukturen bei niedrigerem Druck statt als in statischen Experimenten.

Damit zeigt die Arbeit ein länger bekanntes Problem beim Umgang mit den Ergebnissen aus Untersuchungen mit Schockkompression. Denn deren Ergebnisse können nicht einfach auf die statischen Bedingungen im Inneren von Planeten übertragen werden. „Bei Silizium gab es Vermutungen, dass sich die Struktur unter Schock eher bei höheren Drücken verändern würde, weil das Material bei der dynamischen Kompression nicht genug Zeit haben könnte, die Struktur an die innerhalb von Nanosekunden veränderten Bedingungen anzupassen.“, sagt McBride, die während der Durchführung der Studie bei DESY forschte und inzwischen am SLAC arbeitet. „Unsere Messungen zeigen jetzt, dass im Fall von Silizium das Gegenteil der Fall ist. Das verdeutlicht, wie unterschiedlich sich verschiedene Materialien und Systeme verhalten. Hier wartet noch viel Arbeit auf die Forschung.“

Unter anderem diesem Problem wollen Forscher von DESY und European XFEL künftig als Teil einer von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützten Forschergruppe (FOR2440) auf den Grund gehen. In zukünftigen Experimenten sollen Messungen mit Diamantstempelzellen und Schockkompression systematisch verglichen werden. So hoffen die Forscher mehr darüber zu lernen, wie man die Schockexperimente dafür nutzen kann, etwas über die Vorgänge im Inneren von Planeten herauszufinden. Am HED-Instrument (High Energy Density Instrument) des European XFEL baut das Nutzer-Konsortium „Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF)” einen Experimentaufbau für Schock-Kompressionsexperimente, der dem in dieser Studie genutzten an der LCLS sehr ähnlich ist.

An der Studie waren Forscherinnen und Forscher von SLAC, European XFEL, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Lawrence-Livermore National Laboratory in den USA, Universität Oxford, Universität von York, Rutherford Appleton Laboratory in Großbritannien, vom Institut de Recherche pour le Développement in Frankreich sowie von DESY beteiligt.

 

Originalveröffentlichung:
Phase transition lowering in dynamically compressed silicon; E. E. McBride, A. Krygier, A. Ehnes, E. Galtier, M. Harmand, Z. Konôpková, H. J. Lee, H.-P. Liermann, B. Nagler, A. Pelka, M. Rödel, A. Schropp, R. F. Smith, C. Spindloe, D. Swift, F. Tavella, S. Toleikis, T. Tschentscher, J. S. Wark, A. Higginbotham; „Nature Physics“, 2018; DOI: 10.1038/s41567-018-0290-x