Sichtbares Licht ist eine elektromagnetische Welle mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometern. Das ist mehr als das tausendfache eines typischen Atomdurchmessers. Um atomare Strukturen zu betrachten ist sichtbares Licht daher prinzipiell nicht geeignet. Für diesen Zweck hat sich die Röntgenstreuung bewährt, die wesentlich kurzwelligeres Röntgenlicht verwendet. Dabei wird ein Röntgenstrahl auf die Probe gerichtet und die Interferenz der an den einzelnen Atomen gestreuten Strahlung verrät deren räumliche Anordnung.
Ganz ähnlich wie bei der Beugung von Licht an einem optischen Gitter verursacht die regelmäßige Anordnung von Atomen in einem Kristallgitter scharfe Reflexe unter bestimmten Ein- und Ausfallswinkeln. Das bedeutet, unter ganz bestimmten Winkeln wird ein Röntgenstrahl fast wie von einem Spiegel abgelenkt.
Als
Diffuse Streuung bezeichnet man mehr oder weniger alles, was unter
anderen Winkeln als diese speziellen Kristallreflexe gestreut wird.
Verursacht wird diese Streuung durch nichtperiodische Störungen
des Atomgitters, also lokale Verzerrungen, unregelmäßige
Anordnung der verschiedenen Atomsorten, Fehlstellen und andere Defekte,
sowie thermische Vibration des Gitters.Hier links sieht man das diffuse Streumuster, das wir bei einer Titan-Vanadium-Legierung beobachtet haben.
Gitterverzerrungen
Ein
wichtiger Aspekt meiner Arbeit war die Frage, inwieweit die
unterschiedlichen Atomgrößen in einer Legierung das
Atomgitter verzerren. Das kann ziemlich kompliziert werden, denn die
Atome, die durch einen besonders großen "Nachbarn" von ihrem
Platz verschoben werden, drücken ihrerseits wieder auf ihre
eigenen Nachbarn. Die Verzerrungen eines einzigen Fremdatoms
können zehn bis zwanzig Atomplätze weit reichen. Das Verständnis dieser Mechanismen ist sehr wichtig. Einerseits bestimmen solche Effekte die mechanischen Eigenschaften eines Materials, also z.B. wie hart oder weich, zäh oder brüchig es ist. Auf der anderen Seite stellen diese Verzerrungsfelder aber auch einen Wechselwirkungsmechanismus dar. Das heisst, sie beeinflussen, wie nahe sich zwei "dicke" Atome kommen können. Die banalste Konsequenz kann sein, dass sich einige Metallsorten einfach nicht mischen lassen.
Hochenergie-Röntgenstreuung
Die Experimente für dieses Projekt
wurden an der Europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle (ESRF) in
Grenoble (Frankreich) durchgeführt. Dabei handelt es sich um einen
Speicherring, in dem Elektronen sehr nah an die Lichtgeschwindigkeit
gebracht werden. Während sie von starken Magneten auf einer
Kreisbahn gehalten werden, stoßen sie bei jeder dieser
Richtungsänderungen einen Röntgenblitz aus. Dieses sehr
intensive Röntgenlicht wird dann für Experimente genutzt.Literatur
H. Reichert, V. Bugaev, O. Shchyglo, A. Schöps, I. Ramsteiner, Y. Sikula, H. Dosch, V. Honkimäki:
Strain-induced nonanalytic short-range order in the spin glass Cu83Mn17 – Reply,
Phys.Rev.Lett. 88 (20) 209604 (2002)
Ingo Ramsteiner
High-Energy X-Ray Study of Short Range Order and Phase Transformations in Titanium-Vanadium
Dissertation, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Universität Stuttgart (2005)
H. Reichert, A. Schöps, I.B. Ramsteiner, V.N. Bugaev, O.Shchyglo, A. Udyansky, H. Dosch, M. Asta, R. Drautz, V. Honkimäki:
Competition between order and phase separation in Au-Ni,
Phys.Rev.Lett. 95 (23) 235703 (2005)
weitere Publikationen in Vorbereitung