Schnell gefilmt

Änderung elektronischer Zustände mit zeitlicher Auflösung von Femtosekunden aufgenommen.

Wenn Moleküle miteinander reagieren oder sich Schaltzustände in elektronischen Bauteilen verändern, so sind dafür Prozesse verantwortlich, deren Dauer im Bereich von Femtosekunden liegt. Wie schnell sich die elektrischen Eigenschaften bestimmter fester Materialien unter Bestrahlung mit intensiven Laserpulsen verändern, haben jetzt Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit Kollegen der Universität Colorado, USA untersucht.

Die Wissenschaftler verwendete ultrakurze Laserpulse (Pulsbreite < 10 fs) im weichen Röntgenbereich, mit denen sie die elektronischer Zustände verfolgten, die sich während eines Schaltprozesses kurzfristig bilden und im Zeitbereich von Femtosekunden stattfinden. In Serie ergeben die einzelnen Aufnahmen einen Film, der solche Schaltvorgänge mit bisher unerreichter Detailgenauigkeit und Auflösung in Echtzeit abbildet. "Damit können wir beispielsweise Phasen-übergänge in Festkörpern oder katalytische Reaktionen an Oberflächen direkt verfolgen", erklärt der Kieler Wissenschaftler Michael Bauer.

Mit weicher Röntgenstrahlung sind Wellenlängen gemeint, die größer als der Abstand der Atome im Festkörper (0,1 nm bis 0,5 nm) ist. Die Laserpulse erzeugten die Forscher in einem speziellen Lasersystem in einer gasgefüllten Kapillare, wobei sie anschließend noch selektiert und moduliert werden mussten. Michael Bauer resümiert: „Der Informationsgewinn durch unsere Zeitlupenaufnahmen ist enorm. Wir erhalten ganz neue Einblicke in die zentralen elektronischen Eigenschaften fester Materalien, die für eine Vielzahl aktueller und zukünftiger Technologien zum Beispiel in der Telekommunikation von Bedeutung sind.“

Universität Kiel / MH

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  T. Rohwer et al.: Collapse of long-range charge order tracked by time-resolved photoemission at high momenta. Nature, online 9. März 2011
  doi: 10.1038/nature09829
• Video eines mit dem Bildgebungsverfahren aufgenommenen Phasenübergangs in einem Festkörper (1T-TiSe₂) (Rohwer et al., Nature)
• Arbeitsgruppe von Michael Bauer am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Kiel
• I. McKinnie et al.: High-harmonic generation: Ultrafast lasers yield X-rays. Nature Photonics 4, 149 (2010)
  doi: 10.1063/1.2773783
• S. Mathias et al.: Angle-resolved photoemission spectroscopy with a femtosecond high harmonic light source using a two-dimensional imaging electron analyzer. Rev. Sci. Instrum. 78, 083105 (2007)
  doi: 10.1063/1.2773783