Mikroskopie am Raum-Zeit-Limit

Zwischen Ort und Zeit gibt es keine Heisenbergsche Unschärferelation. Ein Forscherteam aus mehreren Arbeitsgruppen des Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) um die Professoren Jascha Repp, Rupert Huber, Franz Giessibl und Klaus Richter sowie des MPI in Hamburg um Angel Rubio hat nun erstmals beobachtet, dass man Aufenthaltsort und Zeitentwicklung eines Elektrons trotzdem nicht gleichzeitig beliebig genau messen kann. Diese Raum-Zeit-Grenze hat wichtige Konsequenzen für künftige Anwendungen.

Künstlerische Darstellung eines extrem kurzen Elektronwellenpakets (blau) zwischen der Spitze eines speziellen Mikroskops und einer Materialprobe

Quelle: U Regensburg / Brad Baxley, parttowhole.com

Am RUN werden ultraschnelle Mikroskope entwickelt und eingesetzt, um die Bewegung von Elektronen, Atomen und Molekülen mit möglichst hoher Orts- und Zeitauflösung direkt in mikroskopischen Zeitlupenfilmen abzubilden. So konnte in Regensburg bereits vor zehn Jahren erstmals die Bewegung eines einzelnen Moleküls in Raum und Zeit mittels ultraschneller Rastertunnelmikroskopie aufgelöst werden. Im Vergleich zu Atomen und Molekülen bewegen sich Elektronen auf dieser Längenskala nochmals tausendfach schnel­ler – nämlich in Zeiträumen von Attosekunden. Elektronen­bewe­gung gehorcht auf diesen Skalen nicht den Gesetzen der klassischen Mechanik, sondern den Regeln der Quantenphysik.

Um die Zeitauflösung gegenüber den früheren Experimenten entsprechend zu steigern und die Quantendynamik einzelner Elektronen direkt abzubilden und zu kontrollieren, entwickelten die Forschenden ein neues Lasersystem. Mit dessen Lichtblitzen können sie die Elektronenbewegung auf diesen extremen Zeitskalen so kontrollieren, dass die Elektronen von einer atomar scharfen Metallspitze über einen Abstand von nur wenigen Atomdurchmessern auf eine Silberoberfläche übergehen. Gemessen werden diese Elektronenbewegungen als Strom und die zeitliche Information erhält man durch die Verwendung zweier Lichtblitze.

Erstautor Simon Maier beschreibt: „Indem wir den zeitlichen Abstand zwischen den zwei Laserimpulsen variieren, können wir direkt beobachten, wie die Elektronen darauf reagieren.“ Die so beobachtete Elektronenbewegung zeigt Signaturen auf Atto­se­kun­den-Zeit­ska­len – was bedeutet, dass die Lichtblitze Elektronen auf diesen Zeitskalen transferieren können, und man ihnen gewissermaßen dabei zusehen kann. Das Besondere dabei: Die Elektronen bewegen sich dabei nicht wie ein klassisches Teilchen. Als quantenmechanische Wellen durchdringen die Elektronen vielmehr die Energiebarriere zwischen Spitze und Probe, für die sie nach den Gesetzen der klassischen Physik eigentlich nicht genug Energie besitzen. Sie „tunneln“ hindurch, als würden sie durch eine massive Wand gehen, ohne sie zu zerstören. „Unsere Messung lässt sich wie eine Hochgeschwindigkeitskamera für die Elek­tro­nen-Wel­len­pa­kete verstehen, da man sieht, zu welcher Zeit der Tunnelprozess stattfindet", führt Doktorandin Katharina Glöckl aus.

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Um die mikroskopische Elektronendynamik am Raum-Zeit-Limit noch besser zu verstehen, führte die Rubio-Gruppe aufwändige Quantensimulationen durch. Die Berechnungen erklären die experimentellen Ergebnisse mit bemerkenswerter Genauigkeit. Zudem zeigen sie: Das Elektron folgt dem Lichtfeld nicht sofort, sondern mit einer winzigen Verzögerung von 500 as.

In diesem Grenzbereich von kleinsten räumlichen und zeitlichen Skalen treten fundamentale physikalische Grenzen der Quantenphysik gleich auf mehreren Ebenen zutage. Die Wirkung der Laserimpulse beispielsweise lässt sich nicht eindeutig dem Wellen- oder dem Photonenbild von Licht zuordnen, sondern trägt Züge beider Bilder – und genau das ist es, was es den Forschern ermöglichte, so tief in das Raum-Zeit-Limit vorzudringen. Wenn Elektronen mittels Lichtblitzen auf so kurzen Zeitskalen bewegt werden, hat das komplexe Konsequenzen für die räumliche Verteilung der Elektronen, die quantenmechanisch als Wellenpakete beschrieben werden.

Dazu erklärt Koautor Raffael Spachtholz: „Je genauer wir das Elektron zeitlich festnageln wollen, desto mehr Energie müssen wir hineinstecken. Und dadurch breitet sich das Elektronenpaket räumlich wieder stärker aus.“ Diesen Zusammenhang untersuchte das Team anhand eines einzelnen, auf der Oberfläche platzierten Atoms, um die Elek­tro­nen-Wel­len­pa­ke­te jeweils vor den Lichtblitzen atomar einzuschränken. Damit ließ sich der Zusammenhang zwischen räumlicher und zeitlicher Ausdehnung der Elektronenwellenpakete direkt bestimmen. Erfreulicherweise bleiben die Elek­tro­nen-Wel­len­pa­ke­te trotz starker Anregung dennoch räumlich scharf genug definiert, um damit atomar auflösende Mikroskopie auf Atto­se­kun­den-Zeit­ska­len zu betreiben.

Mit dem aktuellen Durchbruch dringt das Team zu einer bislang eher vage vermuteten Raum-Zeit-Grenze quantenmechanischer Elek­tro­nen-Wel­len­funk­tio­nen vor, um erstmals systematisch zu erforschen, wie die zeitliche Dynamik von Elektronen die räumliche Struktur ihrer Wellenfunktion prägt. Damit eröffnen sich auch völlig neuartige Anwendungsmöglichkeiten. Wenn man ein Elektron etwa auf ein Molekül überträgt, entspricht dies zwar dem kleinstmöglichen Ladungsübertrag; wenn das Elektron aber auf ein winziges Raum-Zeit-Volumen begrenzt ist, sind damit extrem hohe lokale Spitzenstromdichten von bis zu einer Billion Ampere pro Quadratzentimeter möglich. „In Zukunft wollen wir mit solchen Wellenpaketen gezielt chemische Reaktionen auslösen und auf den relevanten Längen- und Zeitskalen beobachten, wie chemische Bindungen aufgebrochen oder verändert werden können“, erläutert Jascha Repp. „Auf lange Sicht könnten die gewonnenen Erkenntnisse auch dazu beitragen, Elektronik und Quanteninformationsverarbeitung an der intrinsischen Geschwindigkeitsgrenze der Elektronenbewegung selbst zu be­trei­ben – hunderttausendfach schneller als die derzeit vorherrschende CMOS-Tech­no­lo­gie“, ergänzt Rupert Huber. Die beiden Projektleiter sind sich einig, dass die Anwendungsmöglichkeiten von Elektronen an der Raum-Zeit-Grenze eher durch die menschliche Vorstellungskraft als durch die Natur begrenzt sind. [UR / dre]