Forschungserfahrung aus Kalifornien kommt Schweizer Röntgenlaser SwissFEL zugute

Für Simon Gerber sind Freie-Elektronen-Röntgenlaser (FEL) mit ihrer Fähigkeit, extrem schnelle Vorgänge zu beobachten, der Schlüssel zu bahnbrechenden neuen Erkenntnissen. Zum Beispiel auf dem Gebiet der Supraleitung, ein Phänomen, das den Physiker und viele seiner Kollegen schon lange umtreibt: Vor mehr als 100 Jahren entdeckte der Niederländer Heike Kamerlingh Onnes, dass viele Materialien bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius ihren elektrischen Widerstand verlieren und Strom verlustfrei leiten. Dafür müssen diese Materialien allerdings aufwendig mit flüssigem Helium gekühlt werden. Wenn der Effekt auch bei sehr viel höheren Temperaturen – idealerweise bei Raumtemperatur – aufträte, liesse sich viel Energie sparen.

Geheimnisvolle Hochtemperatur-Supraleitung

Als 1986 bei IBM Rüschlikon Georg Bednorz und Karl Alexander Müller die Hochtemperatur-Supraleitung entdeckten, gab es gleich im nächsten Jahr den Nobelpreis dafür – und die Hoffnung, ein Nutzen für die tägliche Anwendung würde näher rücken. Denn nun waren Materialien gefunden, bei denen der Effekt schon bei einer vergleichsweise hohen sogenannten Sprung-Temperatur von um die minus 170 Grad Celsius auftritt. Dafür reicht die weniger aufwendige Kühlung mit flüssigem Stickstoff aus.

Seither sind nicht wenige Physiker einer Erklärung dieses Phänomens auf der Spur. Sie versuchen zu verstehen, warum die Sprung-Temperatur in diesen Materialien höher ist und welche Mechanismen zur Supraleitung beitragen. So erhoffen sie sich einen Schlüssel zu finden, um diese Temperatur durch gezielte Materialentwicklung weiter in die Höhe zu treiben. Mithilfe neu konzipierter Experimente sind Simon Gerber und seinen Kollegen in der Forschungsgruppe von Professor Zhi-Xun Shen vom SLAC National Accelerator Laboratory und der Universität Stanford am kalifornischen Freie-Elektronen-Laser LCLS nun wichtige neue Erkenntnisse dazu gelungen, über die sie in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Science berichten.

Für konventionelle Supraleiter ist klar: Die Ursache für das Entstehen von Supraleitung bei der Sprung-Temperatur liegt in der Wechselwirkung zwischen den Schwingungen des Kristallgitters und den Elektronen-Paaren, die sich im supraleitenden Zustand formieren. Wie stark diese Kopplung bei unkonventionellen Supraleitern, zu denen auch die Hochtemperatur-Supraleiter gehören, ist und welche Rolle sie für die Entstehung der Supraleitung in diesen Materialien spielt, darüber diskutieren Physiker seit 30 Jahren kontrovers. Das Problem: Die Kopplung liess sich bislang nicht direkt und hochpräzise messen, sondern musste mithilfe einer Kombination aus theoretischen Annahmen und Messdaten bestimmt werden.

Röntgenlaser zeigt Gitterschwingung

Jetzt haben wir das für den unkonventionellen Supraleiter Eisenselenid mit einem neuen Zugang erstmals rein experimentell und mit grosser Genauigkeit bestimmen können, berichtet Simon Gerber. Wir haben gezeigt, dass in Eisenselenid die Kopplung eine wesentliche Rolle für die Materialeigenschaften spielt. Er und seine Kollegen am SLAC und der Universität Stanford kombinierten dafür die Daten aus zwei hochpräzisen Experimenten. Jeweils wird das Kristallgitter über einen Laserblitz zu Schwingungen angeregt. In dem einen Experiment analysieren sie dann, wie sich die Gitterschwingungen mit der Zeit entwickeln, im zweiten Experiment studieren sie das entsprechende Verhalten der Elektronen. Letzteres gelingt mit der sogenannten Photoemissions-Methode – dieser Teil der Untersuchung ist von Shuolong Yang, damals Doktorand am SLAC, und Patrick Kirchmann, SLAC-Forscher, sowie weiteren Kollegen durchgeführt worden.

Die Analyse der Gitterschwingungen wurde in einem Röntgen-Streu-Experiment am Freie-Elektronen-Röntgenlaser LCLS durchgeführt. Nur mithilfe dieser ultraschnellen Messmethode können wir mit extremer Genauigkeit bestimmen, wie sich die Atome bewegen, betont Gerber. Die Kombination der beiden Experimente bedeute eine grosse Herausforderung, weil sie nicht gleichzeitig stattfinden können, aber trotzdem unter möglichst identischen Bedingungen durchgeführt werden müssen.

Doch die Mühe lohnt sich. Unser Zugang hat den Vorteil, dass wir keine theoretischen Annahmen machen müssen, um die Kopplungsstärke für spezifische Elektronen-Bahnen zu erhalten. Wir gewinnen sie direkt aus den Experimenten und können sie dann nutzen, um verschiedene theoretische Modelle zur Erklärung miteinander zu vergleichen. Was die Forschenden unter anderem feststellten: Die Stärke der Kopplung zwischen Atomgitter und Elektronen hängt davon ab, welche Elektronen-Bahn sie betrachten. Und für eine korrekte theoretische Beschreibung müssen sogenannte Vielteilcheneffekte berücksichtigt werden, ein komplexerer Ansatz als bisher oft eingesetzte klassische Berechnungsmethoden.

Aus Kalifornien ans PSI zurückgekehrt

Simon Gerber ist überzeugt, dass dieser kombinierte, rein experimentelle Ansatz dazu beitragen kann, mehr Licht in die lange Kontroverse um das Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung zu bringen. Und nicht nur das. Auch bei anderen Phänomenen wie etwa dem Magnetismus können ähnliche Kopplungseffekte bestimmend sein, sodass wir diese Art Kombi-Experiment künftig weiterentwickeln wollen. Seit einem guten Jahr ist der Physiker jetzt zurück am PSI, vor allem motiviert von der Aussicht, den neuen Freie-Elektronen-Laser mitgestalten zu können: Hier bauen wir eine neue Maschine, die wir mitformen können, damit unsere spezifischen Experimente möglich werden. Dazu gehört die Instrumentierung ebenso wie die Auslegung des FEL selbst. Es ist extrem spannend, zu schauen, wie weit man das technisch treiben kann.

Das findet auch Henrik Lemke, der als Strahllinienwissenschaftler speziell für die Entwicklung des SwissFEL vor zwei Jahren ebenfalls vom kalifornischen SLAC ans PSI gekommen ist. Dort hatte er seit dem Start der Anlage fünf Jahre lang Erfahrung sammeln können. Er wird künftig auch die Forschenden bei ihren diversen Experimenten am SwissFEL betreuen. Die Chance hier ist, dass wir aus den Erfahrungen lernen und gezielt Schwerpunkte setzen und Verbesserungen entwickeln können.

Atomare Schalter für bessere Solarzellen und Datenspeicher

Ihm selbst gelangen zuletzt faszinierende Einblicke in Umschaltprozesse von Molekülen, über die er im Mai im Fachjournal Nature Communications berichtete. Dazu betrachteten er und seine Kollegen aus Frankreich und den USA einen Eisen-Komplex, ein grösseres Molekül, in dessen Zentrum sich ein Eisen-Atom befindet, das unter anderem von Stickstoff-Atomen umgeben ist. Es ist eine Art Modell-System, das bereits mit vielen Methoden untersucht wurde, sodass sich an ihm viele grundlegende Eigenschaften gut studieren und mit bekannten Ergebnissen vergleichen lassen. Mit dem FEL können wir Änderungen im Arrangement des Moleküls sichtbar machen, die so schnell ablaufen, dass sie zuvor mit keinen strukturellen Messmethoden erkennbar waren, erläutert Lemke. Da solche, extrem kurzlebige Zustände theoretisch sehr schwer zu berechnen sind, ist es besonders wichtig, dass wir hier einen experimentellen Zugang ermöglichen. Und am SwissFEL werden wir bis zu zehnmal kürzere Prozesse beobachten können als bisher an der LCLS.

Solche kurzen Umschaltprozesse spielen zum Beispiel in den sehr günstig herstellbaren Grätzel-Solarzellen eine Rolle. In ihnen werden Elektronen durch die Einstrahlung von Sonnenlicht angeregt, ihre angestammte Position in einem Molekül zu verlassen und in ein benachbartes Nanoteilchen zu hüpfen, wo sie dann zum Stromfluss beitragen können. In dem betrachteten Modellmolekül wird dieser Prozess jedoch von einem sehr schnellen und stabilen Umschalten des magnetischen Zustandes überholt, was wiederum für mögliche Anwendungen als molekulare Speicher mit hoher Speicherdichte interresant sein könnte.

Magnetisches Umschalten im Bruchteil einer Billionstelsekunde beobachtet

Den Forschenden um Lemke gelang es nun in dem betrachteten Eisen-Komplex erstmals, diesen Magnetisierungsprozess kaskadenartig zu verfolgen und zu ergründen, warum der geschaltete Zustand stabil bleibt. Dabei liefen die entscheidenden Prozesse in unvorstellbar kurzen Zeiten von Bruchteilen einer Billionstelsekunde ab – der millionste Teil einer millionstel Sekunde. Die Forschenden konnten beobachten, wie sichtbares Licht einer bestimmten Wellenlänge ein Elektron des Eisen-Atoms anregt, sodass dieses in weniger als 1/40 Billionstelsekunde zu einem benachbarten Stickstoff-Atom hüpft. Diese neue Position ermöglicht eine Reorganisation der Elektronen, der Träger des Magnetismus im Molekül, die innerhalb einer zehntel Billionstelsekunde eine Netto-Magnetisierung entstehen lässt. Dieses Umschalten der Elektronen wiederum verschiebt das Gleichgewicht der Atome im Molekül, sodass sich diese zu bewegen beginnen, um wieder die günstigste Lage zu erreichen. Die Forschenden konnten zeigen, dass es aussieht, als ob das Molekül einige Atemzüge nimmt, bevor diese Bewegung sehr schnell ausklingt, was den geschalteten Zustand stabilisiert – eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige Datenspeicherung.

Wir beobachten hier ein Wettrennen zwischen zwei Prozessen und erhalten dabei wichtige Informationen über deren Zusammenhang mit der Molekularstruktur. Dieses Wissen kann helfen, gezielt Moleküle zu entwerfen, die einen der Prozesse bevorteilen und dadurch eine technische Anwendung ermöglichen – etwa die Umwandlung von Lichtenergie oder gesteuerte molekulare Schalter, betont Lemke. Mit dem SwissFEL können wir noch zehnmal kürzere Prozesse beobachten als bisher und damit auch Erkenntnisse über noch schnellere technologisch relevante Materialien gewinnen, insbesondere im Bereich der Feststoffe.

Und Simon Gerber ergänzt: Beide Studien zeigen, dass FEL-Experimente sehr mächtig sind. Aber es gibt erst sehr wenige Anlagen, sodass die Messzeiten hart umkämpft und sehr beschränkt sind. Mit dem SwissFEL können wir diese wichtige Forschung ein Stück weiterbringen.

Text: Uta Deffke

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 380 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

(Stand 05/2017)