Manchmal muss man nur genau genug hinschauen – und schon zeigt sich ein Regenbogen. Ein Forschungsteam der Universität Duisburg-Essen und der Universität Uppsala hat ein solches Phänomen nun erstmals auf atomarer Ebene experimentell beobachtet. Erstautorin der in der Fachzeitschrift Carbon veröffentlichten Studie ist Physikerin Carolin Frank, die an beiden Universitäten promoviert.
Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einer wabenförmigen Struktur angeordnet sind. Das macht das Material zu einem idealen Testsystem. Für das Experiment beschleunigte das Team Xenon-Ionen auf eine Energie von 40 Kiloelektronenvolt (40 keV) und schickte sie durch freistehendes Graphen. Aus den winzigen Ablenkungen der Teilchen entstand ein charakteristisches Streumuster: ein äußerer kreisförmiger und ein innerer sechseckiger Regenbogen. Das Phänomen wird als Rainbow Scattering bezeichnet und konnte damit erstmals experimentell an einlagigem Graphen nachgewiesen werden.
„Erst die Kombination aus der ultrareinen Graphenprobe aus Duisburg und der außergewöhnlichen Auflösung des Messsystems in Uppsala hat diese Beobachtung möglich gemacht“, sagt Carolin Frank, die zur Arbeitsgruppe von Experimentalphysikern Prof. Dr. Marika Schleberger, Universität Duisburg-Essen, gehört. „Das Streumuster reagiert äußerst empfindlich auf kleinste Verunreinigungen der Oberfläche und ließ sich deshalb bislang nicht experimentell nachweisen.“
Besonders aufschlussreich war der Vergleich der Messdaten mit verschiedenen Computersimulationen. Während bestehende Modelle den äußeren Regenbogen gut beschreiben, zeigen sich beim inneren sechseckigen Muster deutliche Abweichungen. Die Ergebnisse machen sichtbar, wo gängige Modelle der Wechselwirkung zwischen Ionen und Festkörpern an ihre Grenzen stoßen.
„Graphen dient dabei nicht nur als Probenmaterial, sondern auch als besonders empfindlicher Prüfstand für Modelle der Ion-Festkörper-Wechselwirkung“, sagt Prof. Dr. Marika Schleberger, Mitautorin der Studie. Gerade weil das Material nur aus einer einzigen Atomlage besteht, lassen sich selbst kleinste Unterschiede zwischen Experiment und Theorie erkennen.
Künftig wollen die Forschenden ihre Methode auf weitere Ionensorten und andere zweidimensionale Materialien übertragen. Dadurch möchten sie die Wechselwirkung energiereicher geladener Teilchen mit Festkörpern noch genauer verstehen und bestehende theoretische Modelle weiter verbessern.
Quelle: UDE