Abteilungsbericht 1998 der Abteilung Festkörperphysik der Universität Ulm

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IV.A. Quantenschwebungen mit Röntgen- und Synchrotronstrahlung (Einleitung)

Streuexperimente mit Röntgen- und Synchrotron-strahlung werden herkömmlich bei elastischer Streuung zur Strukturbestimmung in kondensierter Materie eingesetzt und bei der inelastischen Streuung zur Bestimmung der Phononendispersionsrelation und der Phononenzustandsdichte. So wurde die Phononendispersionsrelation von Diamant mit dem Dreiachsenspektrometer INELAX mit Synchrotronstrahlung bestimmt und damit frühere Neutronenexperimente überprüft und ergänzt.

Neue Anwendungen der inelastischen Streuung eröffnen sich jedoch mit der Durchführung zeitaufgelöster Streuexperimente. Mit solchen Experimenten erreicht man höchste Energieauflösungen und kleinste Energieüberträge, die z.B. mit dem INELAX Spektrometer nicht beobachtbar sind.

Im Falle der Synchrotronstrahlung liefert die Zeitstruktur des Synchrotronstrahlungsblitzes mit einer Pulsbreite von etwa 100 ps die Möglichkeit neue kollektive Anregungszustände resonanter Kerne "instantan" zu bevölkern, deren kollektive Zerfallsstrahlung als Strahlung eines nuklearen Exzitons bezeichnet wird. Dabei ist die Zerfallsdauer des Kollektivzustands – bei einen ⁵⁷Fe-Target sind dies etwa 140 ns – groß gegen die Pulsbreite. Das experimentell verfügbare Zeitfenster am Synchrotron der ERSF-Grenoble oder des HASYLAB bei DESY-Hamburg beträgt in der Regel etwa 190 ns bis zum nächsten Synchrotronstrahlungspuls, es sei denn, eine Verlängerung durch reduzierten Bunch-Betrieb des Synchrotrons wurde eingestellt. Durch Superposition der kohärenten in Vorwärtsrichtung gestreuten Zerfallsstrahlung der nuklearen Exzitonen zweier resonanter Targets lassen sich Quantenschwebungen erzeugen, die in zeitaufgelösten Experimenten analysiert werden können. Die Schwebungsfrequenz hängt dabei von der relativen Verschiebung der Resonanzenergien der beiden Targets ab, die durch Dopplereffekt oder chemische Verschiebung möglich ist. Ebenso werden phononeninduzierte Echosignalfolgen durch Superposition nuklearer Exzitonenstrahlung dadurch erzeugt, daß einem Exzitonenstrahl eine Dephasierung und kohärente periodische Rephasierung durch Braggstreuung an einem piezoelektrisch angeregten Quarz aufgeprägt wird. Die dabei entstehenden phononeninduzierten Echofolgen in der Zerfallsstrahlung nuklearer Exzitonen werden in zeitaufgelösten Experimenten als Echopeaks oder Echodips zu Echozeiten von ganzzahligen Vielfachen der reziproken Schallfrequenz t_n = n/f (n = 0,1,2,…) beobachtbar. Dabei wird die Zeitkorrelation von Detektionszeitpunkt der Photonen mit dem Synchrotronstrahlungspuls gemessen, während die Phase der Piezoanregung des Quarzes nicht gelockt, also im statistischen Sinne unkorreliert ist. Diese Experimente haben Ähnlichkeit mit den durch Rephasierungspulsen erzeugten Echofolgen beim freien Induktionszerfall kollektiv und synchron angeregter Kernspinensembles in der Kernmagnetischen Resonanz..

Die Beobachtung von Quantenschwebungen mit Röntgenstrahlen erfordert zunächst eine Präparation kohärenter Teilstrahlen, die wir mit einem Röntgeninterferometer bereitgestellt haben. Läßt man die beiden kohärenten Teilstrahlen mit Phononen unterschiedlicher Quantenenergie hf₁ und hf₂ in Wechselwirkung treten, so führt die Superposition der beiden Teilstrahlen im Interferometer zu Quantenschwebungen mit einer Schwebungsfrequenz Df = f₁ - f₂ , die in zeitaufgelösten Interferenzexperimenten beobachtet wird. Wir korrelieren dabei die Ankunftszeit der Röntgenphotonen mit der Phase der Schallwellen.

In den folgenden beiden Kapiteln sollen dem Leser die Experimentanordnungen und Beispiele für Quantenschwebungen mit Röntgen- und Synchrotronstrahlung vorgestellt werden.

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