Ultraschnelles Mikroskopieverfahren für optische Prozesse
Forschungsteam aus Heidelberg und Mailand entwickelt neuartige Mikroskopietechnik zur Untersuchung von Energiematerialien.
Ein extrem schnelles Mikroskopieverfahren zur Erforschung der Wechselwirkung von Licht und Materie macht es möglich, optische Prozesse auf sehr kurzen Zeitskalen zu untersuchen. Ein deutsch-italienisches Forschungsteam kombiniert dazu auf innovative Weise holographische Bildgebung mit ultraschneller Spektroskopie. So lassen sich selbst äußerst kurzlebige elektronische und magnetische Phänomene beobachten, die bei der Entwicklung und Anwendung neuartiger Energiematerialien eine große Rolle spielen. Die Forschungsarbeiten wurden in einer internationalen Kollaboration zwischen Wissenschaftlern des Physikalisch-Chemischen Instituts der Universität Heidelberg, des Polytechnikums Mailand und des Mailänder Instituts für Photonik und Nanotechnologie durchgeführt.
Kernstück der Entwicklung ist ein Pump-Probe-Mikroskop, das das zu untersuchende Material zunächst mit einem kurzen Lichtpuls anregt, während ein zweiter Puls die zeitabhängige Reaktion abbildet. Durch den Vergleich von Messungen mit ein- und ausgeschalteter Anregung können diese Prozesse präzise rekonstruiert werden. „In der Verbindung von holographischer Bildgebung mit ultraschneller Spektroskopie lassen sich elektronische und magnetische Dynamiken räumlich aufgelöst und auf Zeitskalen von Femto- bis Pikosekunden verfolgen“, erläutert die Projektleiterin Julia Anthea Gessner.
Die neuartige Methode des deutsch-italienischen Forschungsteams ermöglicht es, elektromagnetische Phänomene gleichzeitig und über große Sichtfelder hinweg abzubilden, wie Martin Hörmann vom Polytechnikum Mailand erläutert. Im Gegensatz zu anderen Mikroskopieverfahren können dadurch mikrometergroße Bereiche erfasst und zeitaufgelöste „Filme“ der Ladungs- und Spindynamik von Elektronen erzeugt werden. Zudem lassen sich so auch durch Licht ausgelöste Veränderungen der optischen Materialeigenschaften sichtbar machen.
Geschärfter Blick in den Impulsraum
Molekülfilm im extremen Ultraviolett
Femtosekunden-Laser beleuchtet chirale Dynamik
„Unser chiroptischer Ansatz eröffnet damit völlig neue Möglichkeiten, dynamische Prozesse in komplexen Materialien direkt zu beobachten“, so Dr. Hörmann, der gemeinsam mit Dr. Gessner und Doktorand Federico Visentin maßgeblich an den aktuellen Forschungsarbeiten beteiligt war.
Zum Einsatz kommen soll dieses besonders hochauflösende, ultraschnelle bildgebende Verfahren vor allem bei Energiematerialien. Dies sind Materialien, die für nachhaltige Technologien wie Solarzellen, LEDs und Spin-LEDs oder innovative elektronische Bauelemente von Bedeutung sind. „Die Mikroskopietechnik eröffnet neue Einblicke in ultraschnelle optische Prozesse insbesondere im Hinblick darauf, wie sie sich im Zusammenhang mit Zusammensetzung und Struktur der Materialien verändern“, betont Felix Deschler, Professor am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg. Wie sein Kollege Franco Valduga de Almeida Camargo vom Mailänder Institut für Photonik und Nanotechnologie betont, kann die Erforschung der Wechselwirkung von Licht und Materie wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung effizienter und langlebiger Komponenten für die Optoelektronik und die Spintronik liefern. [U Heidelberg / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
M. Hörmann, F. Visentin, J. A. Gessner, et al., Ultrafast holographic chiroptical microscopy, Nat. Photon. 20, 592-599, Mai 2026; DOI: 10.1038/s41566-025-01824-9 - Femtosecond Spectroscopy Research Facility (Giulio Nicola Cerullo), Physics Department Politecnico di Milano & CNR Istituto die Fotonica e Nanotecnologie (IFN)
- Professur Physikalische Chemie I (Felix Deschler), Physikalisch-Chemisches Institut, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
