Manipulation von Materialien mit Licht

Am Donnerstag, den 21.09. 2023, war Herr Prof. Dr. Martin Garcia von der Universität Kassel, Fachbereich theoretische Physik, zu einer Abendsprache am Internat Solling. Herr Prof. Garcia beschäftigt sich in seiner Arbeitsgruppe unter anderem mit Themen wie der Faltung von Proteinen oder der Wechselwirkung von intensiver Laserstrahlung mit Materie. Sein Ziel ist es, die Prozesse in den Materialien zu simulieren und dadurch die physikalischen Ursachen zu ermitteln, die zu den experimentell beobachteten Ergebnissen führen.

Prof. Garcia begann seinen Vortrag mit einigen Schlüssel-Experimenten von Laserphysikern, die Oberflächen mit Laserstrahlung behandelt hatten und zeigte, dass strukturelle Unterschiede in den erzeugten Nano-Strukturen auftreten, je nachdem welche Laserart verwendet wird. Er machte vor allem klar, dass ein entscheidender Unterschied darin liegt, ob man Nanosekunden- oder Femtosekunden-Laserpulse (Nano = 10-9, Femto = 10-15) zur Oberflächenbearbeitung verwendet. Während bei Nanosekundenpulsen thermische Prozesse vorherrschend sind, sind es bei Femtosekundenpulsen häufig Prozesse im thermischen Ungleichgewicht. Die Ursache dafür ist, dass der Laserpuls das elektronische System auf Temperaturen von einigen tausend Grad Celsius anregt, aber die zugehörigen Atomrümpfe (Atomkerne) zunächst bei Raumtemperatur verbleiben, wodurch einzigartige Strukturen im Nanometer-Bereich hergestellt werden können. 

 

Anschließend ging Prof. Garcia auf seine eigenen Arbeiten ein, deren Ziel es ist, die entstandenen Strukturen auf physikalischer Grundlage zu erklären. Dazu entwickelt er neue theoretische Modelle, führt mit diesen Simulationen durch und vergleicht nachfolgend seine Ergebnisse mit den experimentellen. Er machte dabei deutlich, dass hinter seinen Modellen eine aufwändige Mathematik steht, deren Grundzüge für das Auditorium nicht leicht zu verstehen waren und sicherlich für viele Schüler:innen eine kurzzeitige Überforderung im Vortrag bedeuteten. Anschließend kam Prof. Garcia aber wieder zurück zu den verständlicheren Aspekten seiner Arbeit und erklärte eindrucksvoll, dass seine neu entwickelten Modelle nicht nur sehr gut das Experiment widerspiegeln, sondern auch, dass diese die Rechenzeiten im Vergleich zu anderen Modellen um das rund fünfhundertfache reduzieren.

 

Zum Ende seines Vortrags zeigt Prof. Garcia, dass KI (künstliche Intelligenz) bei der Simulation von physikalischen Experimenten eine große Hilfe ist. Mit einem selbstgeschriebenen KI-Programm ist seine Arbeitsgruppe nun in der Lage experimentelle Ergebnisse noch besser zu beschreiben und somit die dahinterliegenden Physik im Detail zu verstehen. Dadurch zeigte Prof. Garcia zum Abschluss seines Vortrags noch einmal, wie wichtig das Zusammenspiel zwischen Theorie und Experiment für ein umfassendes Verständnis physikalische Prozesse ist.

Text: Dr. Frank Hubenthal