Den synchronisierten Tanz der Elektronen in superkleinen Teilchen aufzeichnen
Neue Forschungsarbeiten, die zum Teil im Rahmen der EU-finanzierten Projekte SoftMeter und TOMATTO(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurden, zeigen auf, wie durch ultraschnelle Lichtpulse angeregte Elektronen im Gleichtakt um ein Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als einem Nanometer tanzen. Dem Forschungsteam ist es gelungen, diesen Tanz der Elektronen mit bemerkenswerter Präzision zu messen, sodass erstmals eine Messung in einer derart kleinen Größenordnung durchgeführt werden konnte. Diese Ergebnisse bieten neue Einblicke in die Natur der synchronisierten Elektronenbewegung in Systemen im Subnanometerbereich und bereiten neuen Fortschritten in nanoplasmonischen Anwendungen den Weg. Mittels der synchronisierten Bewegung von Elektronen, der Plasmonenresonanz, kann Licht für kurze Zeiträume eingefangen werden. Diese Fähigkeit findet Anwendung in Bereichen, die von der Umwandlung von Licht in chemische Energie bis hin zu Verbesserungen bei lichtempfindlichen Vorrichtungen reichen. Bisher waren Messungen der Plasmonenresonanz in Echtzeit jedoch nur in Systemen mit einer Breite von zehn Nanometern oder mehr möglich, da die Resonanz in einem ultraschnellen Zeitmaßstab auftritt. Dank der Fortschritte in der Lasertechnologie ist dies nicht mehr der Fall. Wie die Forschenden in ihrer in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeit(öffnet in neuem Fenster) beschreiben, konnten sie präzise das Verhalten von Elektronen in fußballförmigen Kohlenstoffmolekülen, den Buckminsterfullerenen oder kurz Buckyballs, im Subnanometerbereich aufzeichnen. Das Team nutzte Attosekundenpulse, extrem kurze Lichtpulse, die ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde dauern, um die Bewegung von Elektronen in diesen Molekülen mit einem Durchmesser von 0,7 Nanometern auszulösen und zu messen. Sie stimmten den Prozess von dem Moment an, in dem die Lichtimpulse die Elektronen anregen, bis zu dem Moment, in dem die Elektronen emittiert werden und überschüssige Energie aus den Buckyballs freisetzen, genau zeitlich ab.
Im Gleichklang tanzen
Jeder Zyklus dauerte 50 bis 300 Attosekunden, und die Messungen ergaben, dass sich die Elektronen sehr kohärent verhalten und im Gleichtakt schwingen. „Diese Ergebnisse zeigen erstmalig, dass Attosekundenmessungen wertvolle Einblicke in Plasmonenresonanzen auf Größenordnungen kleiner als ein Nanometer liefern können“, erläutert Shubhadeep Biswas, Hauptautor der Studie und Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Deutschland) und am SLAC National Accelerator Laboratory (Vereinigte Staaten), in einer Pressemeldung des SLAC(öffnet in neuem Fenster). Dieser Durchbruch in der Forschung ermöglicht es der Wissenschaft, eine ganz neue Bandbreite von ultrakleinen Partikeln zu vermessen. „Mit dieser Messung eröffnen wir neue Einblicke in das Zusammenspiel von Elektronenkohärenz und Lichteinschluss in Subnanometerskalen“, betont Koautor Matthias Kling, Professor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und leitend an der Röntgenlaserquelle, der Linac Coherent Light Source, des SLAC(öffnet in neuem Fenster) tätig. „Diese Arbeit demonstriert die Leistungsfähigkeit von Attosekundenverfahren und öffnet die Tür zu neuartigen Ansätzen der Manipulation von Elektronen in der zukünftigen ultraschnellen Elektronik, die mit bis zu einer Million Mal höheren Frequenzen als die heutige Technologie arbeiten könnte.“ Koautorin Francesca Calegari, leitende Wissenschaftlerin beim SoftMeter-Projektkoordinator Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, merkt dazu an: „Diese Spitzenforschung eröffnet neue Wege zur Entwicklung ultrakompakter, hochleistungsfähiger Plattformen, bei denen die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie mithilfe der Ausnutzung von Quanteneffekten im Nanometerbereich gesteuert werden können.“ Das Projekt TOMATTO (The ultimate Time scale in Organic Molecular opto-electronics, the ATTOsecond) endet 2027. Das Projekt SoftMeter (Multi-messenger soft-field spectroscopy of molecular electronics at interfaces) endet 2028. Weitere Informationen: Projekt SoftMeter TOMATTO-Projektwebsite(öffnet in neuem Fenster)
