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1. Oktober 2019   319/19    Forschung

Ein Blick ins Innere der Atome

Neues Attosekundenlabor macht ultraschnelle Vorgänge sichtbar

Oldenburg. Elektronen bewegen sich unvorstellbar schnell, etwa wenn sie innerhalb eines Atoms von einem Energiezustand in den anderen wechseln. Solche Vorgänge, die nur wenige Trillionstel Sekunden dauern, werden demnächst im neuen Attosekundenlabor des Instituts für Physik der Universität Oldenburg genauer erforscht. Die Physiker Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt, Prof. Dr. Christoph Lienau, Prof. Dr. Sascha Schäfer und Prof. Dr. Niklas Nilius haben das Labor gemeinsam aufgebaut, um ultraschnelle Vorgänge wie etwa die Photosynthese in Pflanzenzellen oder die Ladungserzeugung in Solaranlagen erstmals direkt untersuchen zu können.

Ultraschnelle elektronische Prozesse sind aktuell von großem wissenschaftlichem Interesse. Sie bilden den Ausgangspunkt praktisch aller physikalischen Vorgänge, bei denen Licht und Elektronen miteinander wechselwirken. Außer in Solarzellen spielen solche Interaktionen auch bei anderen Technologien eine Rolle, etwa bei Bauteilen, die in künftigen optischen Computern benötigt werden. „Um diese Vorgänge zu beobachten, zu verstehen und letztlich zu kontrollieren, benötigen wir Lichtblitze, die nur wenige Attosekunden lang sind“, erläutert Wollenhaupt.

Eine Attosekunde entspricht dem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde, also einer Null mit 17 Nullen hinter dem Komma, bevor eine Eins folgt. Viele Prozesse in der Nanowelt, etwa die Bewegung von Atomen und Molekülen, spielen sich typischerweise auf einer Skala von Femtosekunden ab – das sind einige Tausend Attosekunden. Die Abläufe im Inneren von Atomen oder Molekülen werden jedoch von Elektronen bestimmt, die wesentlich kleiner als die Atomkerne sind und sich viel schneller bewegen. „Die Umlaufzeit eines Elektrons auf der innersten Bahn eines Wasserstoff-Atoms beträgt im berühmten Bohrschen Atommodell nur etwa 150 Attosekunden“, berichtet Lienau.

Derart kurze Blitze können nun in dem neuen Labor erzeugt werden. Ausgangspunkt dafür ist ein hochmodernes Femtosekunden-Lasersystem. Um aus Femtosekunden-Blitzen noch kürzere Attosekunden-Laserpulse herzustellen, bündeln die Forscher das Laserlicht in einem Strahl aus Edelgas. Dabei entstehen Lichtwellen mit einem ganzzahligen Vielfachen der ursprünglichen Frequenz. „Das funktioniert ganz ähnlich wie beim Spielen eines Saiteninstruments“, berichtet Wollenhaupt. „Auch dabei werden neben dem Grundton höhere Töne angeregt, die so genannten Obertöne.“ Aus Femtosekunden-Laserpulsen im sichtbaren Bereich des Lichts lassen sich somit Laserpulse im extrem ultravioletten Teil des Spektrums erzeugen, die weniger als 150 Attosekunden lang sind. Mit den kurzwelligen Attosekundenpulsen lassen sich wesentlich kleinere Strukturen erfassen als es mit Lichtmikroskopen möglich ist. Daneben verfügt das Labor über eine Experimentkammer, in der das Licht des neuen Lasers in verschiedenen experimentellen Arrangements genutzt werden kann.

Die Forscherinnen und Forscher wollen mit den neuen Vorrichtungen zum einen fundamentale physikalische Probleme untersuchen. Zum anderen befassen sie sich auch mit anwendungsorientierten Fragen. Sie wollen beispielsweise bestimmte chemische Reaktionen erforschen, die durch Licht gesteuert werden, und den Energie- und Ladungstransfer in nanostrukturierten Materialien sichtbar machen. Diese Werkstoffe, die auf mikroskopischer Ebene Strukturen wie Poren oder Gitter aufweisen, könnten als Grundlage für Solarzellen der übernächsten Generation dienen.

„Das Labor eröffnet neue Ansätze zur Mikroskopie auf der Nanoskala“, berichtet Lienau. „Die vier Arbeitsgruppen Ultraschnelle Kohärente Dynamik (ULTRA), Ultraschnelle Nano-Optik (UNO), Ultraschnelle nanoskalige Dynamik (UND) und Rastersondenspektroskopie (Raspe) erhalten die Möglichkeit, Spitzenforschung auf hohem internationalem Niveau zu betreiben.“ Die Koordination des Labors übernehmen Dr. Lars Englert und Dr. Antonietta de Sio.

Die Kosten für den Bau des Labors lagen bei rund zwei Millionen Euro. Das Institut für Physik konnte dafür auf Fördermittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des Niedersächsischen Wissenschaftsministeriums (MWK) sowie auf Eigenmittel der Universität zurückgreifen.

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Bilder

  

Freuen sich über das neue Labor (von links): Dr. Lars Englert, Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt, Dr. Antonietta de Sio, Prof. Dr. Christoph Lienau und Prof. Dr. Sascha Schäfer. Foto: Universität Oldenburg/Daniel Schmidt

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Kontakt

Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt, Tel.: 0441/798-2463, E-Mail: matthias.wollenhaupt@uol.de

Pressg/3se & shqfkKommunibxkatiotxanmp (pregysswnne@uo3otl.ongdel1l) (Stand: 06.03.2019)