Überblicksbeitrag: Methoden der Röntgenstreuung mit Synchrotronstrahlung
Resonantes Röntgenlicht (lila) erzeugt einen rumpfangeregten Zustand am Sauerstoffatom (rot) des H2O-Moleküls. Dies verursacht ultraschnelle Protonendynamik. Die Potentialfläche des elektronischen Grundzustands (unten) und die Bindungsdynamik werden durch spektrale Merkmale der resonanten inelastischen Röntgenstreuung erfasst (rechts).
© Martin Künsting /HZB
Synchrotronlichtquellen liefern brillantes Licht mit dem Fokus auf Röntgenstrahlung und haben unsere Fähigkeiten der Charakterisierung von Materialien enorm erweitert. In den Reviews of Modern Physics gibt ein internationales Team nun einen Überblick über elastische und inelastische Röntgenstreuprozesse, erläutert den theoretischen Unterbau und beleuchtet, welche Einblicke diese Methoden in physikalische, chemische, bio- und energie-relevante Themen eröffnen.
„Mit Röntgenstreuung lassen sich breit gefächerte Fragestellungen untersuchen und lösen: Angefangen mit den Eigenschaften und Anregungen funktionaler Festkörper, über homogene und heterogene chemische Prozesse und Reaktionen, bis hin zum Pfad eines Protons bei der Spaltung von Wasser“, erläutert Prof. Dr. Alexander Föhlisch, der am HZB das Institut Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung leitet.
Der Beitrag gibt einen Überblick über experimentelle und theoretische Ergebnisse auf dem Gebiet der resonanten Streuung von durchstimmbarer weicher und harter Röntgenstrahlung. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS) und der resonanten Auger-Streuung (RAS). In der Übersicht skizzieren die Autoren die wichtigsten Errungenschaften aus den letzten zwei Jahrzehnten an Synchrotronlichtquellen bis hin zu neuesten Fortschritten bei zeitaufgelösten Studien mit Freie-Elektronen-Röntgenlasern.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.