Oberflächenuntersuchung von Schwingungszuständen in Gläsern

Die ungeordneten Aggregatszustände von Materie, nämlich amorphe und glasartige Zustände, haben in den letzten Jahrzehnten beträchtliches Interesse, sowohl von experimenteller als auch theoretischer Seite, geweckt. Dieses Interesse erwuchs aufgrund (i) der reichhaltigen und neuen physikalischen Vorgänge, die dem Glasübergang und den begleitenden Effekten zugrunde liegen, sowie (ii) der wichtigen und kontinuierlich wachsenden Anzahl an Anwendungen, die amorphe Materialien im alltäglichen Leben, als auch in high-tech Prozessen, finden. Überschusszustandsdichten im Vergleich zum Debye Modell (die Standardbeschreibung für die Zustandsdichte in Kristallen bei kleinen Energien) sind eine faszinierende und weitverbreitet diskutierte fundamentale Eigenschaft von ungeordneten Materialien und Gläsern. Dieses Phänomen - gemeinhin als Bosonpeak bekannt - ist in Festkörpermessungen beobachtet worden. Trotz der intensiven Forschungen, die in der Vergangenheit unternommen wurden, um den Grund für diese Überschusszustände zu finden, ist deren Natur noch nicht restlos geklärt. Vor kurzem wurde vom Antragsteller dieses Schlüsselphänomen der Unordnung in amorphen Materialien auch als Oberflächeneffekt entdeckt. Die Entdeckung erfolgte mittels der Streuung von neutralen Heliumatomen, einer Technik, die konventionell zur Oberflächenuntersuchung von Kristallen verwendet wird, jedoch bislang nicht auf amorphe Materialien angewandt wurde. Die Methode der Heliumstreuung ist aufgrund der geringen Energie der Heliumatome speziell für die Untersuchung der Oberflächendynamik geeignet. Die Energie der Heliumatome ist im Bereich der niederenergetischen Phononen (~18 meV) und somit speziell empfindlich im Bereich des Bosonpeaks. Mit dem erstmaligen Nachweis des Bosonpeaks an der Oberfläche von Silikaglas haben wir ein Tor zu neuer und interessanter Physik aufgemacht, die wir nun im Rahmen dieses Forschungsprojektes detailiert erkunden wollen. Gegenwärtig verschieben sich die Forschungen im Bereich des Bosonpeaks aufgrung mangelnder neuer experimenteller Ergebnisse immer mehr hin zu theoretischen Berechnungen. Eine experimentelle Untersuchung der Vibrationszustandsdichte an der Oberfläche eröffnet die Möglichkeit, signifikante Beiträge zu einem besseren Verständnis des Bosonpeaks zu machen. Oberflächenempfindliche Experimente mittels Heliumstreuung werden aller Voraussicht nach abweichende Eigenschaften des Oberflächen-Bosonpeaks, im Vergleich zu Messungen im Festkörper, zu Tage bringen. Die Schwingungsmoden, die den Oberflächen-Bosonpeak bilden, unterliegen aufgrund der reduzierten Symmetrie der Oberfläche (die Translationssymmetrie in der Richtung normal zur Oberfläche ist gebrochen) mehr Einschränkungen als die des Festkörper-Bosonpeaks. Folglich wird jedes neue Resultat über den Oberflächen-Bosonpeaks als Testszenario für bestehende theoretische Modelle dienen. Geplante Experimente umfassen eine detailierte Untersuchung der Temperatur-abhängigkeit, der Beziehung zwischen Intensität des Bosonpeaks und dem Impulsübertrag parallel zur Oberfläche, Messungen bei unterschiedlicher Energie der Heliumatome, sowie eine experimentelle Untersuchung des Phasenüberganges zwischen dem ungeordneten und geordneten Zustand.