Preisträger 2025: Dr. Till Domröse

Operando and Ultrafast Electron Microscopy of Structural Phase Transformations

Makroskopische Materialeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit sind direkt mit der Anordnung der einzelnen Atome verknüpft. Gezielte strukturelle Veränderungen eines Materials sind somit von besonderer technologischer Bedeutung. Das dafür erforderliche physikalische Verständnis der Umwandlung basiert auf speziellen experimentellen Messmethoden und deren Weiterentwicklung.

 

Die Doktorarbeit von Till Domröse beschäftigt sich mit der Aufklärung struktureller Phasenübergänge, ermöglicht durch methodische Fortschritte in der ultraschnellen Elektronenmikroskopie und Elektronenbeugung. Im ersten Teil der Arbeit wird ein Übergang von einer semimetallischen in eine metallische Phase durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ausgelöst, und im thermischen Gleichgewicht gefilmt. Es zeigt sich, dass strukturelle Defekte die Umwandlung und damit die elektrische Widerstandsänderung maßgeblich beeinflussen.

 

Im zweiten Teil der Arbeit werden Phasenübergänge durch gepulste Laseranregung ausgelöst und fernab des thermischen Gleichgewichts untersucht. Obwohl die beiden betrachteten Materialsysteme chemisch eng verwandt sind, findet sich ein stark voneinander abweichendes Schaltverhalten. In einem Fall erfolgt eine geordnete Umwandlung bei tiefen Temperaturen, während der Laser den Kristall bei Raumtemperatur lediglich erwärmt, jedoch keinen Phasenübergang auslöst. Im zweiten Material hingegen entsteht kurzzeitig ein stark ungeordneter Zustand. Nach der optischen Anregung verhält sich der dreidimensionale Kristall zunächst wie ein zweidimensionales System. Die atomare Struktur ist weder eindeutig kristallin noch amorph, und lässt sich als ein sogenannter hexatischer Zustand beschreiben. Methodisch wird dieser durch die erstmalige Auflösung dreidimensionaler Dynamik mittels hochkohärenter ultraschneller Elektronenbeugung ersichtlich.

 

Die Arbeit wurde am 4. Physikalischem Institut der Universität Göttingen sowie am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften in der Abteilung für ultraschnelle Dynamik angefertigt, und von Prof. Dr. Claus Ropers betreut.