Super-Mikroskop misst Schwingungen von Elektronen

  • 12. August 2011

Ein neuartiges High-Tech-Mikroskop erlaubt es, extrem schnelle Prozesse in winzigsten Objekten zu verfolgen – mit einer bislang einzigartigen räumlichen und zeitlichen Auflösung.

Ein Team um Martin Aeschlimann (Kaiserslautern), Tobias Brixner (Würzburg) und Walter Pfeiffer (Bielefeld) hat die Vorteile eines Elektronenmikroskops mit der Anregung durch ultrakurze Laser-Lichtblitze und der damit erreichbaren hohen Zeitauflösung kombiniert. Dadurch ist es möglich, zehn Mal feinere Strukturen als mit optischen Mikroskopen zu erkennen und die zeitliche Entwicklung der Objekteigenschaften mit der extrem hohen Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden zu verfolgen – in dieser Zeit legt ein Düsenjet eine Strecke zurück, die kleiner ist als der Durchmesser eines Atoms.

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Mit ultrakurzen Laserimpulsen (rot) lassen sich an der Oberfläche einer Nanostruktur die Schwingungen von Elektronen (rote Kugeln) messen. (Quelle: Walter Pfeiffer, Universität Bielefeld)

Um superschnelle Vorgänge im Mikrokosmos verfolgen zu können, setzten die Forscher eine komplexe Folge von ultrakurzen Laserimpulsen ein, die als „kohärente zweidimensionale Spektroskopie“ bezeichnet wird. Mit einer neu entwickelten Abfolge von Laserimpulsen und dem Nachweis der dabei emittierten Elektronen konnten die Physiker und Physikochemiker erstmals feststellen, wie lange die Schwingungen von Elektronen in einer einzelnen Nanostruktur andauern: 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. Die neue Analysemethode für extrem schnelle Vorgänge im Nanometer-Bereich wird es in der Zukunft ermöglichen, in vielen natürlich und künstlich nanostrukturierten Materialien sehr schnelle Vorgänge zu verfolgen.

U Würzburg / SJ

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