19.10.2021

Neuer Blick auf ultraschnelle Prozesse

Optimierung der Spektroskopie mit Photoelektronen.

Einem Freiburger Forscherteam um Frank Stienkemeier und Lukas Bruder ist es gelungen, ein neues Messverfahren zur Untersuchung ultraschneller Prozesse in Materie zu entwickeln. Hierbei handelt es sich um Abläufe auf atomarer und molekularer Ebene, die innerhalb einer Milliardstel Sekunde ablaufen. Das neue Verfahren, das unterschiedliche Spektro­skopie-Verfahren kombiniert, ermöglicht unter anderem neue Einblicke in die Energie­struktur in Materie und die Wahr­scheinlichkeits­verteilung von Elektronen. Fundamentale molekulare Prozesse können nun laut der Forscher genauer verstanden werden. 

Abb.: Optimierte Photo­elektronen­spektroskopie ermöglicht präzisere...
Abb.: Optimierte Photo­elektronen­spektroskopie ermöglicht präzisere Untersuchung ultraschneller Prozesse in Materie. (Bild: U. Freiburg)

Das Freiburger Team arbeitet seit mehreren Jahren an der Weiter­entwicklung der ultra­schnellen, kohärenten, mehr­dimensionalen Spektro­skopie. Vereinfacht gesagt wird bei der Spektroskopie die Absorption von Licht untersucht, um wichtige Eigenschaften von Materie zu untersuchen. Hierzu gehören ultraschnelle Prozesse sowie kohärente Quanten­phänomene und Wechsel­wirkungen zwischen Atomen und anderen nano­skopischen Teilchen. „Dies sind die grundlegenden Eigen­schaften von Materie, die die Vorgänge in der Natur auf nano­skopischer Ebene treiben und diese Eigenschaften wollen wir durch unsere Experimente besser verstehen“, berichtet Stienkemeier.

Ein generelles Problem in der kohärenten, mehr­dimensionalen Spektroskopie ist die Komplexität der Messdaten, welche eine klare Inter­pretation der experi­mentellen Ergebnisse oft erschwert bis unmöglich macht. Die Situation verbessert sich deutlich, wenn das Experiment mit der Nutzung beispiels­weise eines Massen­spektrometers kombiniert wird. „Dieses Vorgehen gibt uns die zusätzliche und sehr nützliche Information über die chemische Zusammen­setzung des untersuchten Stoffes – ein großer Vorteil bei der Studie ultra­schneller chemischer Reaktionen“, erläutert Bruder.

Vergleichbar dazu ist es den Forschern nun gelungen, die kohärente, mehr­dimensionale Spektroskopie mit der Photo­elektronen- spektro­skopie zu kombinieren. Die Energie­messung ausgelöster Elektronen liefert Informationen über die Energiestruktur und die räumliche Wahr­scheinlichkeits­verteilung der Elektronen in der Materie. Kombiniert man die Photoelektronen­spektroskopie mit Röntgenlicht­quellen sind präzise Messungen mit atomarer Selektion möglich – das heißt, dass die Energie­verteilung in einem Stoff mit extrem hoher bis hin zu atomarer Auflösung untersucht werden kann.

„Unser Ansatz eröffnet eine Vielzahl aufregender, neuer Entwicklungen“, erklärt Stienkemeier. „Das reicht von der Erweiterung unserer Methode zur simultanen energie- und winkel­aufgelösten Elektronen­messung, bis hin zu Experimenten mit Röntgenstrahlung, um atom­spezifische Informationen zu erhalten.“ Als weiterer Vorteil des Freiburger Ansatzes konnte die Sensitivität der kohärenten, mehr­dimensionalen Spek­troskopie­experimente um Größen­ordnungen verbessert werden. Das heißt, dass Signale, die zuvor einen Faktor von 200 kleiner als das Rauschen in der Messung waren, können nun nachgewiesen werden. „Die erhöhte Sensitivität ermöglicht es uns, sehr saubere Proben in Ultrahoch­vakuum­experimenten zu untersuchen und so funda­mentale molekulare Prozesse genauer zu verstehen“, ergänzt Bruder.

U. Freiburg / JOL

Weitere Infos

Jobbörse

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin
Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin

Freiburg, 13.-14.03.2024, Berlin, 19.-21.03.2024
Die Präsentationen dauern jeweils eine Stunde, am Ende der Veranstaltung ist Zeit für Q&A eingeplant.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen