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Aufklärung transienter Stukturen in kondensierter Materie mit Ultrakurzzeit-Röntgenmethoden / SPP 1134

Transient Structures in Condensed Matter Investigated by Ultrafast X-Ray Techniques

19.09.2003

Programmbeschreibung / Programme Summary

Gegenstand des Schwerpunktprogramms sind ultraschnelle Strukturänderungen in kondensierter Materie, die mit Ultrakurzzeit-Röntgenmethoden untersucht werden. Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Impulse harter Röntgenstrahlung werden dabei verbunden mit dem Nachweis und der Analyse strukturverändernder Prozesse durch Röntgenbeugung und -absorption. Diese Arbeiten zielen ab auf ein grundlegendes Verständnis der dabei auftretenden Nichtgleichgewichtsprozesse, die im Zeitbereich zwischen 10 fs und 10 ps ablaufen, und ihrer mikroskopischen Mechanismen. Auf diese Weise sollen Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion der untersuchten Systeme aufgeklärt werden. Photoinduzierte ultraschnelle Phasenübergänge, z.B. von der festen in die flüssige Phase oder zwischen unterschiedlichen kristallinen Strukturen, und die Dynamik von Kristallgittern, z.B. die Ausbreitung von Phononwellenpaketen oder Schockwellen, werden in Metallen, Halbleitern und Halbleiter-Nanostrukturen studiert. Reversible oder irreversible Veränderungen von Atompositionen werden dabei durch zeitaufgelöste Röntgenbeugung direkt nachgewiesen. Diese Experimente sind eng verknüpft mit theoretischen Simulationen der mikroskopischen Strukturänderungen. In kristallisierten Makromolekülen, d.h. Biopolymeren, Chromopeptiden und Proteinen werden elementare Schritte (bio)chemischer Reaktionen untersucht, in ungeordneten Systemen, z.B. flüssiger Phase, transiente Strukturen unter dem Einfluß der an das System ankoppelnden Umgebung. Die Weiterentwicklung laserbasierter kompakter Kurzpuls-Röntgenquellen und neue Konzepte für Röntgentargets und röntgenoptische Komponenten, wichtige Voraussetzungen für die experimentellen Arbeiten, werden in enger Kooperation der am Schwerpunktprogramm beteiligten Gruppen verfolgt.

The priority programme is devoted to ultrafast structural changes in condensed matter which are studied by ultrafast x-ray techniques. The generation and characterization of ultrashort hard x-ray pulses are being combined with detecting and analyzing processes of structural change by x-ray diffraction and absorption. This research aims at a basic understanding of the relevant nonequilibrium processes occurring on a time scale between 10 fs and 10 ps and the underlying microsopic mechanisms. In this way, relationships between structure and function of the systems investigated will be elucidated. Photoinduced ultrafast phase transitions, e.g., from the solid to the liquid phase and/or between different crystalline structures, as well as the dynamics of crystal lattices, e.g., the propagation of phonon wave packets or shock waves, are studied in metals, semiconductors, and semiconductor nanostructures. Reversible or irreversible changes of atomic position are directly monitored by time-resolved x-ray diffraction. Such experiments are combined with theoretical simulations of the microscopic structural changes. In crystallized macromolecules, i.e. biopolymers, chromopeptides and proteins, elementary steps of (bio)chemical reactions are studied, in disordered systems, e.g., the liquid phase, transient structures under the influence of the environment. Research on laser based compact sources for ultrashort x-ray pulses and new concepts for x-ray targets and optical components represents an important aspect of this work which is worked on in close collaboration of the groups participating in the priority programme.

Sprecher / Spokesperson:

Professor Dr. Thomas Elsässer
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
Max-Born-Straße 2a · 12489 Berlin
Tel.: (030) 6392-1400 · Fax.: (030) 63921409
E-Mail: elsasser@mbi-berlin.de