Abschlag mit Elektronen
Laserpulse schlagen Elektronen wie Golfbälle aus Goldspitzen und erzielen dabei extreme Beschleunigungen.
Die Elektronenbewegungen bei photochemischen Prozessen – etwa in Solarzellen oder bei der Photosynthese – finden auf extrem kurzen Längenskalen von wenigen Nanometern und auf ultraschnellen Zeitskalen von wenigen Femtosekunden statt. Die Vorgänge sind so komplex, dass sie sich selbst mit den bislang besten verfügbaren Mikroskopen nicht detailliert verfolgen lassen. Weltweit arbeiten daher Forscher intensiv an der Entwicklung neuer Techniken, um diese Prozesse sichtbar zu machen. Forscher der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ der Universität Oldenburg unter der Leitung von Christoph Lienau berichten nun erstmals über Experimente zur gezielten Beschleunigung von Elektronen aus einzelnen Goldspitzen durch ultrakurze Laserimpulse.
Abb.: Energieverteilung der aus Goldspitzen herausgeschlagenen Elektronen (Bild: U. Oldenburg)
„Zusammen mit Partnern aus der Mailänder Forschergruppe von Giulio Cerullo haben wir einen speziellen Laser aufgebaut, der es uns erlaubt, extrem kurze Laserimpulse mit exakt einstellbarer zeitlicher Form des elektrischen Feldes zu erzeugen“, erklärt Petra Groß, die das Projekt am Oldenburger Institut für Physik leitet. „Mit diesen so genannten phasen-kontrollierten Impulsen gelingt es uns, Elektronen aus einer wenige Nanometer großen Goldspitze herauszuschlagen und mit genau dosierter Kraft in eine durch das Lichtfeld vorgegebene Richtung zu beschleunigen.“ Dabei gehe es den Wissenschaftlern inzwischen wie einem erfahrenen Golfer, der die Flugbahn des Balles durch einen gefühlvollen Abschlag kontrolliere. Allerdings seien die Beschleunigungen um ein Vielfaches höher: Während beim Golfen etwa das Hundertfache der Erdbeschleunigung erreicht wird, werden die Elektronen mit einer trillionenfach höheren Beschleunigung von 1020 g auf etwa ein Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit gebracht.
„Die Goldspitzen dienen uns als besonders gut definierter Abschlagpunkt für die Elektronen. Sie sind so einfach strukturiert, dass wir unsere experimentellen Ergebnisse gut mit Modellrechnungen vergleichen können“, so Lienau. „Wir lernen, wie sich Elektronen auf solch kurzen Zeit- und Längenskalen bewegen.“ Dieses Wissen ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der noch komplexeren Elektronenbewegungen in technologisch relevanten Bauelementen wie Solarzellen. Die Oldenburger Wissenschaftler arbeiten daher intensiv daran, die neu entwickelten experimentellen Techniken zur Aufklärung von Energiewandlungsprozessen in Solarzellen und biologischen Nanostrukturen zu nutzen.
U. Oldenburg / DE
