Wichtig für Computerindustrie

Kasseler Physiker lassen Atome tanzen

3,4 Kilometer langer Röntgenlaser: In der noch im Bau befindlichen Hamburger Forschungsanlage European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser) wird demnächst die theoretische Vorhersage der Kasseler Physiker überprüft. Die Anlage kann dann Elektronen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Foto: XFEL/nh

Kassel. Physiker der Uni Kassel haben eine für die Computerindustrie möglicherweise bahnbrechende Entdeckung gemacht: Ein Forscherteam um Prof. Martin Garcia wies nach, dass sich Silizium-Atome kurz vor dem Schmelzen synchron bewegen - vergleichbar mit einem Formationstanz.

Silizium wird für die Herstellung von Computerchips verwendet. Die Ergebnisse könnten dafür sorgen, dass Silizium selbst in kleinsten Mengen sauber bearbeitet werden kann.

„In fast allen Bereichen möchte man heutzutage Miniaturisierungen vorantreiben“, sagt Prof. Garcia, Leiter der Forschungsgruppe Theoretische Festkörper- und Ultrakurzzeitphysik am Institut für Physik. Dafür seien Maschinen notwendig, die Materialien einer Größe von weniger als einem Mikrometer (zum Vergleich: ein Haar hat etwa 50 Mikrometer Durchmesser) sauber bearbeiten können. Das gilt auch für die Halbleiter- und Computerindustrie. „Wir haben herausgefunden, dass mit Silizium eine saubere Bearbeitung möglich ist“, sagt Garcia, der seine Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift „Physical Review X“ veröffentlicht hat.

Jeder Festkörper, also Materie in festem Aggregatzustand, besteht aus positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen. Da Elektronen viel leichter sind als Atomkerne, können sie sich viel schneller bewegen. Diese Eigenschaft wirkt wie eine Art Kleber, der die Atome zusammenhält.

Garcia und seinen Mitarbeitern ist es jetzt gelungen, diesen Klebeeffekt am Beispiel Silizium zu manipulieren, um das aus Quarzsand gewonnene Element für die exakte Materialbearbeitung zu nutzen. „Wir haben das Verhalten der Elektronen unter dem Einfluss ultrakurzer Laserpulse berechnet“, sagt Dr. Eeuwe Zijlstra. Ein ultrakurzer Laserpuls dauert eine billiardstel Sekunde (Femtosekunde) und erhitzt die Elektronen auf 15 000 Grad - Silizium schmilzt, wenn die Elektronen 18 000 Grad erreichen.

Zwei Klassen von Material

Die kurze, aber intensive Hitze sorge dafür, dass die Elektronen ihre Klebeeigenschaften verändern. „Das führt dazu, dass sich die Atomkerne bewegen, sie tanzen gewissermaßen“, erklärt Zijlstra. Die Bewegungen kündigen so die Schmelztemperatur des jeweiligen Festkörpers an. „Das bedeutet auch, dass eine saubere Materialbearbeitung durch Femtosekundenlaserpulse in Materialien, wo die Atome nicht tanzen, nicht möglich ist.“ Die Entdeckung ermöglicht also die Einteilung von Materialien in zwei Klassen.

Dass sich bestimmte Atome bei Hitze bewegen, sei zwar schon bekannt gewesen. Die Kasseler Wissenschaftler konnten aber nun nachweisen, dass diese Bewegungen direkt mit dem Schmelzvorgang zusammenhängen - wenn auch vorerst nur theoretisch. In der Praxis wird die mit Computermodellen berechnete Vorhersage demnächst in der Hamburger Forschungsanlage XFEL überprüft. Doch das sei nur eine Formalie.

Von Sebastian Schaffner

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