Materie unter extremen Bedingungen

Mit Synchrotronlicht lässt sich das Verhalten von verschiedenen Materialien unter hohem Druck und extrem tiefen oder hohen Temperaturen untersuchen. In einem Verbundprojekt entwickeln zwei Forschergruppen an den Universitäten in Augsburg und Bayreuth eine innovative Instrumentierung und Methodik für solche Experimente.

Über das Verhalten von Materie unter enorm hohem Druck ist bisher wenig bekannt. Denn dort, wo solche extremen Bedingungen in der Natur auftreten – beispielsweise tief im Erdinneren – , lassen sich in der Regel keine Analysen durchführen. Deshalb stellen Wissenschaftler die Verhältnisse im Labor künstlich nach, indem sie winzige Proben mithilfe von speziellen Hochdruckzellen zusammenquetschen und gleichzeitig deren Reaktion verfolgen. In einem Verbundprojekt entwickeln zwei Forschergruppen an den Universitäten in Augsburg und Bayreuth eine innovative Instrumentierung und Methodik für solche Experimente.

Tatsächlich erzeugte das Team um Natalia Dubrovinskaia von der Universität Bayreuth erst kürzlich den höchsten statischen Druck, der jemals in einem Labor erreicht wurde. Dafür nutzten die Wissenschaftler eine sogenannte zweistufige Diamantstempeldruckzelle, die sie im Rahmen des Projekts entwickelt hatten: Die Apparatur besteht aus zwei geschliffenen Diamanten, auf deren abgeflachten Spitze sich jeweils ein winziger Stempel aus noch härterem, nanokristallinem Diamant befindet – im Gegensatz zu einkristallinen Diamanten setzen sich diese aus vielen winzigen Einzelkristallen zusammen. Zwischen den Stempeln lassen sich verschiedene Stoffe platzieren und anschließend mit einem Rekorddruck von bis zu 770 Gigapascal zusammenpressen, das entspricht dem 7,7-millionenfachen Luftdruck auf der Erdoberfläche und mehr als dem doppelten Druck im Erdkern.

Unter Hochdruck

„Hochdruck verändert normalerweise die Eigenschaften vieler Stoffe radikal: Metalle wie Natrium werden zu transparenten Isolatoren, Gase wie Sauerstoff werden dagegen fest und elektrisch leitend, manche sogar zu Supraleitern“, erläutert Dubrovinskaia. Um das Verhalten von Proben in einer Diamantstempeldruckzelle verfolgen zu können, gehen die Wissenschaftler mit ihren Experimenten an Teilchenbeschleuniger. Dabei nutzen sie nicht die Teilchen selbst, sondern die von ihnen emittierte Strahlung: Elektronen rasen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch einen Speicherring und senden auf ihrer gekrümmten Bahn sogenanntes Synchrotronlicht aus. Diese elektromagnetische Strahlung ist nicht nur besonders intensiv, sondern weist auch eine große Bandbreite auf – von energiereicher Röntgenstrahlung über Infrarotlicht bis hin zur Terahertzstrahlung.

Zweistufige Diamantstempelzelle

Indem die Forscher ihre Materialprobe mit diesem Synchrotronlicht durchleuchten, während diese zusammengepresst wird, erfahren sie etwas über deren Zustand. In einer aktuellen Studie setzte Dubrovinskaia zusammen mit ihren Kollegen beispielsweise die hochbrillante Röntgenstrahlung der Forschungslichtquelle PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg, der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Frankreich sowie der Advanced Photon Source in den USA ein, um die Eigenschaften des Metalls Osmium unter enorm hohem Druck zu untersuchen.

Anhand der Streuung der Röntgenstrahlen am Kristallgitter der Probe konnte das Team auf die Anordnung der Atome darin schließen. „Wie bei jedem anderen Material unter sehr hohem Druck, sollte sich auch bei Osmium die Kristallstruktur ändern“, berichtet Dubrovinskaia von den Experimenten. Doch überraschenderweise ändert das Metall seine Kristallstruktur nicht einmal unter solchen extremen Bedingungen, wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature“ schreiben. Lediglich bei 150 und 440 Gigapascal beobachteten die Forscher einen Effekt: Es kam zu einer Wechselwirkung zwischen Elektronen, die sich auf den inneren Bahnen um einen Osmiumatomkern bewegen. Dieses Ergebnis biete spannende Perspektiven für die Suche nach neuen Zuständen der Materie, so die Forscher.

Spurensuche im Spektrum

Doch nicht nur die Röntgenstrahlung aus Synchrotronquellen eignet sich, um die Proben in einer Diamantstempelzelle zu untersuchen. Treffen Wellenlängen im Terahertz- oder Infrarotbereich auf die Atome eines komprimierten Festkörpers, können Elektronen darin vorübergehend ein höheres Energieniveau besetzen – sie werden „angeregt“. Diese Übergänge hinterlassen charakteristische Spuren im Spektrum des Lichts, die sich nachweisen und auswerten lassen. „Die Messung dieser elektronischen Anregungen erlaubt eine Aussage über die Ladungsträgerdynamik im untersuchten Material – zum Beispiel, ob ein Material metallisch ist, also den elektrischen Strom leitet, oder halbleitend“, erläutert Christine Kuntscher, Leiterin der Gruppe an der Universität Augburg und Verbundkoordinatorin. Darüber hinaus lassen sich mittels Infrarotstrahlung auch Gitterschwingungen anregen, die charakteristisch für die Kristallstruktur eines Materials sind. „Ändert sich das Anregungsspektrum der Gitterschwingungen unter hohem äußeren Druck drastisch, so ist dies ein Hinweis auf einen druckinduzierten strukturellen Phasenübergang, das heißt, das Material ändert unter Druck seine Kristallstruktur“, so Kuntscher.

Schemazeichnung einer Stempeldruckzelle

In einer aktuellen Studie nahm das Team auf diese Weise die erst vor wenigen Jahren entdeckten Eisenpniktid-Supraleiter unter die Lupe, die den elektrischen Strom unterhalb einer bestimmten Temperatur verlustfrei leiten. „Durch die Anwendung von hohem Druck kann diese Sprungtemperatur in den Eisenpniktidverbindungen erhöht werden. Und uns ist es nun mithilfe der Infrarotspektroskopie erstmals gelungen, das Öffnen der supraleitenden Energielücke an der Verbindung BaFe₂As₂ unter Druck direkt zu beobachten“, so Kuntscher. Die Ergebnisse sind bei der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ zur Publikation eingereicht.

Im Rahmen des Projekts baut die Gruppe um Kuntscher eine neue Messstation an der Synchrotronquelle ANKA am Karlsruher Institut für Technologie auf. Hierfür entwickeln die Wissenschaftler unter anderem ein spezielles Mikroskop für den Terahertz- und Infrarotbereich, das das Synchrotronlicht fokussiert und auf die Probe lenkt. Auf diese Weise können die optischen Eigenschaften von mikrometergroßen Proben – wie Übergangsmetallverbindungen, Kohlenstoffnanostrukturen, chemischen Elementen und anderen Materialien – in Diamantstempeldruckzellen untersucht werden. Momentan befindet sich das Infrarotmikroskop noch in der Testphase. Sobald diese abgeschlossen ist, soll das Instrument am Infrarotstrahlrohr der Synchrotronquelle ANKA installiert werden.

Die aufgebaute Messinfrastruktur soll dann einer breiten Nutzergemeinschaft aus unterschiedlichen Fachrichtungen wie der Physik, Materialwissenschaften, Chemie und Geowissenschaften zur Verfügung stehen. So lässt sich künftig beispielsweise eine Vielzahl möglicher Kompositionen von Gesteinsplaneten unter Extrembedingungen durchleuchten und viel über die Zusammensetzung und Entwicklung solcher Planeten lernen. Die gewonnenen Erkenntnisse können auch der Entwicklung neuer Materialien dienen, wo ein tiefes Verständnis von Materialeigenschaften und deren Reaktion auf äußere Einflüsse unverzichtbar ist.