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Astronomie+Physik

Ultraschnelles Mikroskop für die Quantenwelt

Mikroskop
Die Kombination von ultrakurzen Laserpulsen (rot) mit einem Rastertunnelmikroskop macht Quantenprozesse wie ein elektronisches Wellenpaket (farbig) mit atomarer Ortsauflösung sichtbar. (Bild: Christian Hackenberger)

Bisher konnten Wissenschaftler Vorgänge auf Atomebene entweder in extrem hoher Auflösung oder aber mit hohem Tempo verfolgen – aber nicht beides. Jetzt ist es einem Forscherteam geglückt, zwei gängige Methoden so zu kombinieren, dass sie ein Mikroskop mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erhalten – quasi eine HD-Kamera für die Quantenwelt. Mit ihr lassen sich unter anderem die Bewegungen von Elektronen bis auf ein Atom genau und im Attosekundenbereich verfolgen – dies entspricht dem Milliardsten Teil einer Milliardstel Sekunde. Das neue Mikroskop bietet nun die Chance, Vorgänge in Molekülen sichtbar zu machen, aber auch, Computerprozessoren weiter zu beschleunigen, wie die Forscher berichten.

Ob Mikroelektronik, Nanotechnologie oder Biomedizin: Viele für die heutigen Technologien wichtige Prozesse spielen sich im Reich der Atome und Moleküle ab – in Größenbereichen, die für unsere Augen nicht sichtbar sind. Gleichzeitig laufen diese Prozesse meist extrem schnell ab, so dauert der Zerfall eines Moleküls in einer chemischen Reaktion nur kleinste Sekundenbruchteile. Um solche grundlegenden Vorgänge zu verstehen und erforschen zu können, benötigen Wissenschaftler daher Instrumente, die sowohl eine hohe räumliche als auch eine hohe zeitliche Auflösung besitzen. Bisher jedoch erreichten ihre Technologien meist nur in einem der beiden Bereiche die nötige Leistung.

Dilemma von Zeit oder Ort

Eines der leistungsstärksten Instrumente, um bis auf die Größenordnung von Atomen zu blicken, ist zurzeit das Rastertunnelmikroskop (RTM). Dieses tastet eine Oberfläche berührungslos mit einer feinen Spitze ab, die meist nur aus einem einzelnen Atom besteht. Durch den geringen Abstand zwischen Oberfläche und Mikroskopspitze kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den Elektronen ihrer Atome: Sie überwinden den trennenden Zwischenraum – quantenphysikalisch ausgedrückt tunneln sie. Aus dem Abstand der Spitze und dem Tunnelstrom kann das System errechnen, wo die einzelnen Atome der Oberfläche liegen und wie groß sie sind. Dadurch kann das Mikroskop selbst einzelne Atome und Moleküle auf einer Oberfläche abbilden. Das Problem jedoch: Das Rastertunnelmikroskop ist zwar extrem hochauflösend in räumlicher Hinsicht, nicht aber in zeitlicher. Schnelle Vorgänge auf der Ebene der beobachteten Atome entgehen ihm.

Um wiederum ultraschnelle Prozesse wie die Bewegungen von Elektronen oder Atomen zu beobachten, gibt es ebenfalls bereits Hilfsmittel. Forscher nutzen dabei Laserpulse, die nur wenige Femtosekunden oder Attosekunden anhalten, um quasi einen Schnappschuss des aktuellen Zustands einzufangen. Doch solchen Lasertechniken fehlt die räumliche Auflösung: Sie zeigen den Schnappschuss eines Elektrons quasi vor verwischtem Hintergrund. „Eine atomare Auflösung auf der Zeitskala von Femto- oder Attosekunden blieb bislang außer Reichweite“, konstatieren Manish Garg und Klaus Kern vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart.

Ein Mikroskop für Quantenprozesse

Jetzt jedoch haben Garg und Kern eine Technologie entwickelt, die genau dieses Zeil erreicht. Die beiden Physiker setzen dabei auf die Kombination zweier bewährter Methoden – ultrakurzer Laserblitze und einem Rastertunnelmikroskop. Dafür werden speziell abgestimmte und fokussierte Infrarot-Laserpulse von weniger als sechs Femtosekunden Länge auf die Spitze des Mikroskops gerichtet. Dies senkt die Barriere für das Tunneln der Elektronen und ermöglicht es gleichzeitig, die aktuelle Position und den Zustand der Elektronen aus subtilen Schwankungen im Tunnelstrom abzulesen. Damit können die Wissenschaftler nun bis auf einige hundert Attosekunden genau messen, wann sich Elektronen wo befinden – und dies bis auf ein Atom genau. „Indem wir ein Rastertunnelmikroskop mit ultraschnellen Pulsen kombinieren, haben wir auf bequeme Weise die Vorteile der beiden Methoden genutzt, um ihre jeweiligen Nachteile auszugleichen“ sagt Garg.

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Praktische Anwendungen für die neue Technologie gibt es einige, wie die Wissenschaftler erklären. „Elektronen in Molekülen live filmen zu können, und zwar in ihrer natürlichen örtlichen und zeitlichen Größenordnung, ist entscheidend, um beispielsweise die chemische Reaktivität und die Umwandlung von Lichtenergie in geladenen Teilchen wie etwa Elektronen oder Ionen zu verstehen“, erklärt Kern. Dadurch kann man beispielsweise mitverfolgen, was in den winzigen Bauteilen moderner Elektronik geschieht und so die Prozesse optimieren. „Elektronen schwingen in heutigen Computern mit einer Frequenz von einer Milliarde Hertz“, sagt Kern. „Mit ultrakurzen Lichtblitzen lässt sich ihre Frequenz möglicherweise auf eine Billiarde Hertz steigern.“ Damit kann das neue ultraschnelle Mikroskop nicht nur Vorgänge in der Quantenwelt filmen, sondern auch in diese Prozesse eingreifen.

Quelle: Manish Garg und Klaus Kern (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart), Science, doi: 10.1126/science.aaz1098

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