Echtzeit-Experimente zur Phonon-Phonon Wechselwirkung

• Antragsteller: Professor Dr. Matias Bargheer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 264132744

Phononen sind die Quanten der Vibration in Kristallgittern und stellen harmonische Oszillatoren dar. Ihr Quantencharakter wird in der spezifischen Wärme von Festkörpern sichtbar. Die Kopplung von Phononen wird durch anharmonische Wechselwirkungen zwischen den Atomen vermittelt und ist verantwortlich für die Wärmeausdehnung und die Abhängigkeit der Wärmeleitung bei hohen Temperaturen. Die Theorie der Phonon-Phonon Wechselwirkung ist gut entwickelt und erklärt diese makroskopischen Phänomene zufriedenstellend. Diese Kopplung manifestiert sich auch in der endlichen Lebensdauer von Phononenmoden und damit in der Linienbreite der inelastischen Neutronen-Streuung. In diesem Projekt beobachten wir die nichtlineare Wechselwirkung transversaler und longitudinaler optischer und akustischer Phononen in Echtzeit auf einer Zeitskala von Femtosekunden bis Pikosekunden. Wir regen bestimmte Phononenmoden mit Femtosekunden-Laserpulsen selektiv an und beobachten mit Frequenz- und Wellenvektorauflösung sowohl den Zerfall von Phononen als auch die nichtlineare Phononen-Erzeugung in einem Drei-Phononen Streuprozess. Z. B. werden zwei Phononen vernichtet und ein drittes Phonon entsteht unter Einhaltung von Energie- und Impulserhaltungssatz. Wir werden versuchen, die Beiträge von kohärenten Phononen (Hyperschall) und inkohärenten Phononen (Wärme) zu unterscheiden. Als ultimative Herausforderung nehmen wir uns des Problems der Umklapp-Streuung - im Gegensatz zu normaler Streuung - an. Hier bleibt der Phononenimpuls nicht erhalten, sondern ändert sich um ein Vielfaches des reziproken Gittervektors. Dabei werden wir Methoden weiterentwickeln, mit denen wir komplexe Gitterdynamik sehr genau steuern können, um so den Weg zu einer Vielzahl neuartiger Experimente zur Rolle von Phononen bei Quanten-Übergängen in Festkörpern zu eröffnen. Unsere Herangehensweise ist komplementär zu den Aktivitäten vieler Gruppen, die derzeit das wichtige Problem des Wärmetransports auf Nanoskalen durch Messung makroskopischer Parameter angehen. Wir erhoffen uns vor allem eine neue Perspektive auf die experimentell bisher wenig untersuchte nichtlineare Phonon-Phonon Wechselwirkung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen