13.08.2020

Spektroskopie mit verdrehtem Licht

Schraubenförmige Lichtwellen mit photoelektrischen Effekt kombiniert.

Lichtmikroskope ermöglichten der Menschheit die ersten Einblicke in den Mikrokosmos von Bakterien und Zellen. Doch ihre Auflösung ist durch die Wellenlänge des Lichts beschränkt. „Die Quantenwelt bleibt dabei unsichtbar“, sagt Jonas Wätzel vom Institut für Physik der MLU, der in der Arbeits­gruppe von Jamal Berakdar forscht. Man kann sich jedoch auch den photo­elektrischen Effekt zunutze machen. Die Photo­elektronen­spektroskopie ist momentan das Hauptwerkzeug für die Analyse der elektronischen Struktur von Materialien. „Viele Quanten­zustände lassen sich jedoch nicht mit einem Photon anregen und bleiben so unsichtbar“, so Wätzel.
 

Abb.: Schematischer Aufbau des Experiments (Bild: G. De Ninno et al. / Springer...
Abb.: Schematischer Aufbau des Experiments (Bild: G. De Ninno et al. / Springer Nature)

Zusammen mit einem internationalen Forschungs­team fand er nun eine neue Methode, um das Photo­elektron mit mehr Informationen auszustatten. Dafür kombinieren die Forscher herkömmliche Laser­strahlen mit Licht­wirbeln, also optischen Wirbeln. „Dabei werden Lichtwellen auf eine Schraubenbahn gezwungen und bekommen einen Drehimpuls. Wenn sie dann mit Materie interagieren, werden Elektronen herausgeschleudert, wobei die Schrauben­bewegung übertragen wird“, erklärt Wätzel. 

Kombiniert mit der Spektroskopie können so vormals unsichtbare Eigenschaften des Materials nachgewiesen werden. Denn: Wie und ob das Photo­elektron mit der verdrehten Lichtwelle interagiert und selbst zum Drehen gebracht wird, hängt maßgeblich von den Material­eigenschaften ab. Das dazugehörende hoch­komplexe Experiment wurde am freien Elektronen­laser Fermi in Triest in Italien durchgeführt. 

„Dabei stellten sich hervorragende Übereinstimmungen zwischen den theoretischen Vorhersagen und den Mess­ergebnissen heraus“, so Wätzel. „Diese Spektroskopie­methode ebnet den Weg für neuartige Einblicke in die Struktur der Materie und deren Wechsel­wirkung mit Licht. Wie ein Molekül aussieht, ob es links- oder rechts­drehend ist, ob ein Material elektrisch leitend oder magnetisch ist, alles hängt von der elektronischen Struktur ab“, erklärt Wätzel. Die Methode sei im Prinzip universell anwendbar und für verschiedene Anwendungen, von der Medizin über die Elektronik bis zur Material­wissenschaft, interessant. 

MLU / DE
 

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