Das Wissen um ultraschnelle Elektronen in Festkörpern

Es ist ein stetig wachsender Schatz an Wissen, der sich in der Attosekunden-Physik an Festkörper-Nanosystemen in den letzten Jahren angesammelt hat. Geordnet und strukturiert war er bis jetzt noch nicht. Das haben nun die beiden Physikprofessoren Peter Hommelhoff und Matthias Kling geändert. Zusammen mit zahlreichen weiteren Autoren haben sie die gesamten Kenntnisse zu diesem sehr jungen Gebiet der Wissenschaft in ihrem Buch „Attosecond Nanophysics“ zusammengefasst. Dabei herausgekommen ist ein Übersichtswerk für Doktoranden und ambitionierte Studenten, aber auch für alle Physiker, die sich einen umfassenden Überblick über die ultraschnelle Nanooptik und die mit ihr verwandten Gebiete verschaffen wollen.

Elementarteilchen im Wechselspiel mit Licht bewegen sich so schnell, dass man sie nur mit Hilfe einer ausgefeilten Technik beobachten kann. In der Regel läuft die Bewegung, wie sie etwa angeregte Elektronen in Atomen und Festkörpern ausführen, auf der Attosekunden Zeitskala ab. Seit einigen Jahren erkunden Wissenschaftler weltweit, wie sich Elektronen in nanostrukturierten Festkörpern verhalten, wenn man sie durch extrem kurze und intensive Lichtimpulse beeinflusst. Um solche rasend schnellen Vorgänge zu beobachten, erzeugen die Physiker Lichtblitze im Bereich von wenigen Femtosekunden bis hin zu Attosekunden. Sie nutzen die Blitze zum Beispiel nach dem Prinzip der konventionellen Kameratechnik als ultrakurze Verschlusszeit, in der man Bilder der rasenden Teilchen im Nanokosmos anfertigt.

Ihr Wissen haben die Forscher nun in einem Buch zusammengefasst und damit eine Übersicht über dieses neue Forschungsgebiet geschaffen, die es in der Form bis heute nicht gab. Das Hauptaugenmerk gilt dabei nicht einzelnen Atomen oder Molekülen, sondern nanostrukturierten Festkörpern, die zumindest mehrere Millionen Atome umfassen. Die große Frage ist: Wie verhalten sich Elektronen hier unter Lichteinfluss? Die Antwort darauf ist von essentieller Bedeutung, denn technologisch könnte diese Forschung dazu führen, dass man künftig mit den elektromagnetischen Feldern von Lichtwellen winzige elektronische Bauteile steuern kann. Mit einer solchen lichtwellengesteuerten Elektronik könnten schließlich Schaltfrequenzen im Petahertz-Bereich erreicht werden. „Damit könnten wir die Technik im Vergleich zu der heutigen Elektronik wahrscheinlich bis zu eine Million Mal beschleunigen“, erklärt Matthias Kling, einer der beiden Herausgeber des Buches.

„Attosecond Nanophysics“ enthält die Beschreibung der Experimente, die in den letzten Jahren für bahnbrechende wissenschaftliche Veröffentlichungen gesorgt haben. Ebenso thematisiert sind natürlich die mathematisch-physikalischen Grundlagen. „Alle Autoren sind Pioniere auf diesem Gebiet“, erklärt der zweite Herausgeber, Peter Hommelhoff. „Wir haben damit erstmals ein Buch zusammengestellt, das eine aktuelle Übersicht über unsere Kenntnisse und Aktivitäten zu den zur Zeit schnellsten Phänomenen im Bereich kleiner Festkörper vermittelt“, sagt Hommelhoff weiter. Damit geben die Autoren den Studenten der höheren Semester und Doktoranden einen Überblick zum Thema an die Hand. Aber auch interessierte Kollegen aus anderen Disziplinen können sich mit diesem Buch einen ersten, umfassenden Einblick in die junge Wissenschaft der Attosekunden-Nanophysik verschaffen.

MAP / OD