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Astronomie+Physik

Kamera filmt Elektronenbewegung

Laseranlage
Mit der ultraschnellen Anlage der Kieler Forscher lässt sich das Verhalten von Elektronen live filmen. (Foto: Jürgen Haacks/ CAU)

Es ist eine fundamentale Wechselwirkung von Licht und Materie: Wenn energiereiches Licht auf ein Atom fällt, werden seine Elektronen vorübergehend angeregt, bis sie diese Energie wieder abgeben. Was innerhalb dieses nur Sekundenbruchteile dauernden Prozesses jedoch genau passiert, haben nun Forscher erstmals mithilfe einer speziellen Kamera mitverfolgt. Ihre Aufnahmen enthüllen, dass innerhalb von nur 50 Billiardstel Sekunden eine komplexe, dreiteilige Abfolge von Wechselwirkungen stattfindet. Das Wissen um diese Prozesse könnte künftig dabei helfen, optoelektronische Bauteile zu optimieren.

Bei der Umwandlung von Licht in Strom, wie zum Beispiel in Solarzellen, geht ein Großteil der eingebrachten Lichtenergie verloren. Ursache ist das Verhalten der Elektronen im Inneren von Materialien. Trifft Licht auf ein Material, regt es Elektronen für den Bruchteil einer Sekunde energetisch an, bevor diese die Energie wieder an die Umgebung abgeben. Schon der Physiker Albert Einstein beschrieb im Jahr 1905 diesen photoelektrischen Effekt. Doch was während dieser extrem kurzen Phase der Anregung genau geschieht und wie sich die Elektronen dann unter Energieabgabe wieder im Grundzustand einpendeln, blieb lange Zeit ein Geheimnis. Die Vorgänge waren schlicht zu schwer erkennbar und schnell, um direkt beobachtet zu werden. Dank moderner Lasertechnik, die immer kürzere Pulse und ganz neue Abbildungstechniken ermöglicht, hat sich dies aber geändert. Vor Kurzem erst ist es Physikern gelungen, die Dauer des photoelektrischen Effekts erstmals genau zu messen.

Elektronenbewegung im Graphit gefilmt

Jetzt ist es einem Team unter der Leitung von Michael Bauer von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel gelungen, das Verhalten der Elektronen bei diesem Effekt erstmals zu filmen. Sie konnten den Energieaustausch von angeregten Elektronen des Graphits mit ihrer Umgebung in Echtzeit untersuchen und dabei einzelne Phasen unterscheiden. Für ihr Experiment bestrahlten die Forscher eine Graphitprobe zunächst mit einem intensiven Laserpuls von nur sieben Femtosekunden Dauer – das entspricht sieben Billiardstel Sekunden. Die auftreffenden Photonen des Laserlichts regten einige Elektronen der Kohlenstoffatome im Graphit an. Was dann geschah, filmten die Wissenschaftler mithilfe einer zeitlich extrem hochauflösenden Version der Photoemission-Spektroskopie. Dabei löst ein zweiter, zeitverzögerter Lichtimpuls einen Teil der Elektronen ganz aus dem Graphit heraus. Ihre detaillierte Analyse lässt Rückschlüsse auf die elektronischen Eigenschaften des Materials nach der ersten Lichtanregung zu.

Eine spezielle, an der Kieler Universität entwickelte Kamera filmt, wie die eingebrachte Lichtenergie sich über das Elektronensystem verteilt. Die Besonderheit ist dabei die extrem hohe Zeitauflösung dieser Kamera von dreizehn Femtosekunden. Sie macht sie zu einer der schnellsten Elektronen-Kameras weltweit, wie die Forscher erklären. „Dank der extrem kurzen Dauer der verwendeten Lichtimpulse sind wir in der Lage, ultraschnelle Prozesse live zu filmen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass hier überraschend viel passiert“, sagt Bauer.

50 Femtosekunden und drei Phasen

Die Aufnahmen enthüllten, dass die Anregung der Elektronen im Graphit in drei Phasen verläuft. In der ersten bringt der Energieeinstrom der auftreffenden Laserphotonen die Elektronen aus ihrem thermischen Gleichgewicht. Die bestrahlten Elektronen nahmen die Energie der Photonen auf und wandelten sie in elektrische Energie um. Dann folgte eine zweite Phase, in der diese Energie durch Wechselwirkungen von Elektronen untereinander, aber auch Streuungsprozesse weitergegeben wird. Etwa 22 Femtosekunden nach dem Beginn der Anregung beginnt dann die dritte Phase, in der die elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird – das Graphit erhitzt sich. Im Laufe dieses Prozesses pendeln sich alle Elektronen des Graphits in einem thermischen Gleichgewicht ein, das bei mehreren tausend Kelvin liegt, wie die Forscher beobachteten. Diese letzte Phase der Anregung ist nach rund 50 Femtosekunden abgeschlossen.

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Die Experimente des Forschungsteams ermöglichen damit einen neuen Blick auf fundamentale Prozesse, die auf diesen kurzen Zeitskalen bisher kaum untersucht worden sind. Gleichzeitig bestätigen sie theoretische Vorhersagen. „Durch unsere neuen technischen Möglichkeiten können diese fundamentalen, komplexen Prozesse zum ersten Mal direkt beobachtet werden“, betont Bauer. Ein umfassendes Verständnis dieser Prozesse könnte zukünftig für Anwendungen in ultraschnellen, optoelektronischen Bauteilen wichtig sein.

Quelle: G. Rohde (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) et al., Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.121.256401

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