Super-Mikroskop misst Schwingungen von Elektronen

22.08.2011 - Deutschland

Ein neuartiges High-Tech-Mikroskop haben Forscher aus Bielefeld, Kaiserslautern und Würzburg entwickelt: Es stellt Objekte millionenfach vergrößert und Bewegungen um eine Million Milliarden Mal verlangsamt dar.

Mit der neu entwickelten Technik lassen sich extrem schnelle Prozesse in winzigsten Objekten verfolgen – mit einer bislang einzigartigen räumlichen und zeitlichen Auflösung. „Wir haben damit erstmals festgestellt, wie lange die Schwingungen von Elektronen in einer einzelnen Nanostruktur andauern“, sagt Professor Tobias Brixner vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Würzburg.

Bei den Analysen zeigte sich: Die kollektive Elektronenbewegung nach der Anregung einer Silber-Nanostruktur mit Licht hält an einzelnen Stellen bis zu 20 Mal länger an als bisher vermutet. Die Dauer der Elektronenschwingung ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant. Sie hat auch entscheidenden Einfluss auf die Effizienz von Energietransportprozessen, wie sie zum Beispiel in Solarzellen oder bei der Photosynthese der Pflanzen ablaufen.

„Unsere neue Methode wird es in der Zukunft ermöglichen, in vielen natürlich und künstlich nanostrukturierten Materialien sehr schnelle Vorgänge zu verfolgen“, so die Wissenschaftler.

Das Forschungsteam und seine Förderer

Ihre neue Analysemethode für extrem schnelle Vorgänge im Nanometer-Bereich präsentieren die Teams der Professoren Martin Aeschlimann (Kaiserslautern), Tobias Brixner (Würzburg) und Walter Pfeiffer (Bielefeld) am 11. August 2011 im Wissenschaftsmagazin „Science“. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat das Projekt der drei Forschungsgruppen in ihrem Schwerpunktprogramm „Ultrafast Nano-Optics“ gefördert.

Elektronenmikroskopie mit Laser-Blitzen kombiniert

Wie den Kooperationspartnern dieser Erfolg gelang? Sie haben die Vorteile eines Elektronenmikroskops mit der Anregung durch ultrakurze Laser-Lichtblitze und der damit erreichbaren hohen Zeitauflösung kombiniert. Dadurch erkennen sie zehn Mal feinere Strukturen als mit optischen Mikroskopen und verfolgen die zeitliche Entwicklung der Objekteigenschaften mit der extrem hohen Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden – eine unvorstellbar kurze Zeit, „in der ein Düsenjet eine Strecke zurücklegt, die kleiner ist als der Durchmesser eines Atoms“, wie Professor Brixner vergleicht.

Um superschnelle Vorgänge im Mikrokosmos verfolgen zu können, setzten die Forscher eine komplexe Folge von ultrakurzen Laserimpulsen ein, die Experten als „kohärente zweidimensionale Spektroskopie“ bezeichnen. Mit einer neu entwickelten Abfolge von Laserimpulsen und dem Nachweis der dabei emittierten Elektronen gelangten die Physiker und Physikochemiker schließlich ans Ziel.