Ein ultraschnelles Mikroskop für die Quantenwelt

Was in winzigen elektronischen Bauteilen oder in Molekülen geschieht, lässt sich nun auf einige 100 Attosekunden und ein Atom genau filmen

23. Januar 2020

Wie Bauteile für künftige Computer arbeiten, lässt sich jetzt gewissermaßen in HD-Qualität filmen. Manish Garg und Klaus Kern, die am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart forschen, haben ein Mikroskop für die extrem schnellen Prozesse in der Quantenwelt entwickelt. Dieses Mikroskop – eine Art HD-Kamera für die Quantenwelt – erlaubt es, die Bewegungen von Elektronen bis auf ein Atom genau verfolgen. Daher dürfte es hilfreiche Erkenntnisse etwa für die Entwicklung extrem schneller und extrem kleiner elektronischer Komponenten liefern.

Auflösung auf die Spitze getrieben: Mit einer Kombination von ultrakurzen Laserpulsen (rot) und einem Rastertunnelmikrskop filmen Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung Vorgänge in der Quantenwelt. Sie fokussieren die Laserblitze auf den winzigen Zwischenraum zwischen der Mikroskopspitze und der Probenoberfläche und lösen so den Tunnelvorgang, bei dem Elektronen (blau) die Lücke zwischen der Spitze und der Probe überwinden. So erreichen sie eine zeitliche Auflösung von einigen hundert Attosekunden, wenn sie Quantenprozesse wie eine elektronisches Wellenpaket (farbige Welle) mit atomarer Ortsauflösung abbilden.

Die Vorgänge in der Quantenwelt machen es selbst den gewieftesten Physikern schwer. Was etwa in den immer leistungsfähigeren Bauteilen von Computern oder Smartphones passiert, läuft nicht nur extrem schnell ab, sondern auch auf immer kleinerem Raum. Um diese Prozesse zu analysieren und etwa Transistoren zu optimieren, würden ihnen Filme der Elektronen sehr helfen. Dafür benötigen Forschende eine Hochgeschwindigkeitskamera, die jedes einzelne Bild eines solchen Elektronenfilms nur für einige 100 Attosekunden belichtet. Eine Attosekunde ist der Milliardste Teil einer Milliardstel Sekunde; in dieser Zeit legt Licht gerade einmal die Strecke durch ein Wassermolekül zurück. Als Attosekunden-Kamera nutzt die Physik seit einigen Jahren entsprechend kurze Laserpulse.

Bislang liefert eine Attosekunden-Aufnahme aber nur den Schnappschuss eines Elektrons vor quasi verwischtem Hintergrund. Dank der Arbeit von Klaus Kern, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, und Manish Garg, Wissenschaftler in seiner Abteilung, können Forschende nun aber auch auf ein Atom genau erkennen, wo sich das gefilmte Elektron befindet.

Ultrakurze Laserblitze kombiniert mit einem Rastertunnelmikroskop

Die beiden Physiker setzen dabei auf ultrakurze Laserblitze und ein Rastertunnelmikroskop. Letzteres erreicht eine atomgenaue Auflösung, weil es eine Oberfläche mit einer Spitze abtastet, die bestenfalls selbst nur aus einem Atom besteht. Zwischen der Spitze und der Oberfläche tunneln Elektronen, das heißt sie überwinden den Raum dazwischen, obwohl sie dafür eigentlich nicht genug Energie mitbringen. Wie gut dieser Tunnelprozess klappt, hängt stark von der zurückzulegenden Distanz ab. Er eignet sich daher, um den Abstand zwischen der Spitze und einer Probe zu messen und kann so selbst einzelne Atome und Moleküle auf einer Oberfläche abbilden. Ein Rastertunnelmikroskop erlaubte bislang aber keine Zeitauflösung, die ausreicht, um Elektronen zu verfolgen.

„Indem wir ein Rastertunnelmikroskop mit ultraschnellen Pulsen kombinieren, haben wir auf bequeme Weise die Vorteile der beiden Methoden genutzt, um ihre jeweiligen Nachteile auszugleichen“ sagt Manish Garg. Mit den extrem kurzen Lichtblitzen feuern die Forscher auf die atomgenau positionierte Mikroskopspitze und lösen so den Tunnelprozess aus. Die Hochgeschwindigkeitskamera für die Quantenwelt erreicht auf diese Weise jetzt auch HD-Auflösung.

Auf dem Weg zu einer millionenfach schnelleren Lichtwellenelektronik

Mit der neuen Technik können Physikerinnen und Physiker nun auf einige hundert Attosekunden und ein Atom genau messen, wann sich Elektronen wo befinden. Zum Beispiel in Molekülen, aus denen ein energiereicher Lichtblitz ein Elektron herauskatapultiert hat, sodass sich die verbleibenden negativen Ladungsträger neu arrangieren und das Molekül möglicherweise eine chemische Reaktion mit einem anderen Molekül eingeht. „Elektronen in Molekülen live filmen zu können, und zwar in ihrer natürlichen örtlichen und zeitlichen Größenordnung, ist entscheidend, um beispielsweise die chemische Reaktivität und die Umwandlung von Lichtenergie in geladenen Teilchen wie etwa Elektronen oder Ionen zu verstehen“, sagt Klaus Kern, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.

Außerdem ermöglicht es die Technik nicht nur, die Wege von Elektronen durch Prozessoren und Chips der Zukunft zu verfolgen. Sie kann die Ladungsträger auch drastisch beschleunigen: „Elektronen schwingen in heutigen Computern mit einer Frequenz von einer Milliarde Hertz“, sagt Klaus Kern. „Mit ultrakurzen Lichtblitzen lässt sich ihre Frequenz möglicherweise auf eine Billiarde Hertz steigern.“ Mit diesem Turbo für Lichtwellen könnten Forschende den Weg zur Lichtwellenelektronik, die millionenfach schneller ist als gängige Computer, freimachen. So filmt das ultraschnelle Mikroskop Vorgänge in der Quantenwelt zum einen und führt dabei zum anderen Regie, indem sie darin eingreift.

PH

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