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Highlights und Aktuelles
frühere Highlights im Archiv
28. November 2018: Ein Jet von Atomen - Erste Linse für extrem ultraviolettes Licht entwickelt
Wissenschaftler vom Max-Born-Institut (MBI) haben die erste refraktive Linse entwickelt, die extrem ultraviolette Strahlen fokussiert. Anstelle von Glaslinsen, die im extrem ultravioletten Bereich undurchsichtig sind, haben sie eine Linse genutzt, die aus einem Jet von Atomen besteht. Hierdurch bieten sich zukünftig neue Möglichkeiten, um beispielsweise biologische Strukturen auf kürzesten Zeitskalen abzubilden und somit besser zu verstehen. Die Ergebnisse sind jetzt in "Nature" veröffentlicht worden. ... weiterlesen.
 
8. November 2018: Dr. Daniela Rupp wurde mit dem diesjährigen Berliner Wissenschaftspreis in der Kategorie "Nachwuchspreis" ausgezeichnet
Dr. Daniela Rupp, Leiterin der Nachwuchsgruppe "Ultrakurzzeitdynamik in Nanoplasmen", wurde mit dem diesjährigen Berliner Wissenschaftspreis des Regierenden Bürgermeisters Michael Müller in der Kategorie "Nachwuchspreis" ausgezeichnet. ... weiterlesen.
 
17. September 2018: Datenspeicher der Zukunft - Extrem kleine magnetische Nanostrukturen mit Tarnkappen beobachtet
Neuartige Konzepte der magnetischen Datenspeicherung zielen darauf, besonders kleine magnetische Bits in einem Speicherchip hin- und herzuschicken, dicht gepackt abzuspeichern und später wieder auszulesen. Das magnetische Streufeld verhinderte bisher die Herstellung besonders kleiner Bits. Jetzt ist es Forschern des Max-Born-Institutes (MBI), des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und DESY gelungen, den magnetischen Nanostrukturen eine "Tarnkappe" aufzusetzen. Auf diese Weise lässt sich das magnetische Streufeld so reduzieren, dass die Bits gleichzeitig klein und dennoch sehr beweglich sein können. Die Forschungsergebnisse sind in "Nature Nanotechnology" erschienen. ... weiterlesen.
 
27. August 2018: Makroskopische elektrische Polarisationen und Elektronen auf atomarer Skala - ein neuer Zusammenhang aus Femtosekunden-Röntgenexperimenten
Röntgenexperimente im Femtosekunden-Bereich und ein neuer theoretischer Ansatz stellen eine direkte Verbindung zwischen elektrischen Eigenschaften makroskopischer Systeme und Elektronenbewegungen auf atomaren Längen- und Zeitskalen her. Die Ergebnisse eröffnen neue Wege zu Verständnis und Optimierung ferroelektrischer Materialien. ... weiterlesen.
 
8. August 2018: Langsam, aber effizient: Intensive Laser-Cluster Wechselwirkungen führen zu niedrigenergetischer Elektronenemission
In den letzten 30 Jahren wurden die Wechselwirkungen zwischen intensiven Lasern und Clustern in erster Linie als ein vielversprechender Weg angesehen, um hochenergetische Ionen und Elektronen zu erzeugen. In überraschendem Gegensatz zu diesem bis heute vorherrschenden Paradigma hat ein Forscherteam nun entdeckt, dass auch eine sehr große Zahl an relativ langsamen Elektronen in diesen Wechselwirkungen erzeugt werden. Diese niedrigenergetischen Elektronen stellen einen bisher fehlenden Zusammenhang her, um die Prozesse zu verstehen, die ein intensiver Laserpuls in einem Nanopartikel auslöst. Dies ist hochrelevant für die Abbildung von Biomolekülen auf ultrakurzen Zeitskalen. ... weiterlesen.
 
2. August 2018: Konzepte für neue schaltbare plasmonische Nanobauteile: ein Nanometer magneto-plasmonischer Router und ein magneto-plasmonischer Scheibenmodulator hohen Kontrasts, die durch ein äußeres magnetisches Feld gesteuert werden.
Plasmonische Wellenleiter eröffnen die Möglichkeit zur Entwicklung dramatisch verkleinerter optischer Bauteile und liefern eine vielversprechende Route zu zukünftigen Technologien für integrierte Schaltkreise für die Informationsverarbeitung, für optisches Computing und andere. Hauptelemente von nanophotonischen Schaltkreisen sind steuerbare Router und plasmonische Modulatoren. Kürzlich entwickelte Dr. Joachim Herrmann vom MBI in Kooperation mit auswärtigen Partnern neue Konzepte für die Realisierung solcher Nanobauteile. Sie untersuchten die Ausbreitung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs) in magneto-plasmonischen Wellenleitern. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie schlugen sie neue Varianten von steuerbaren magneto-plasmonischen Routern und magneto-plasmonischen Scheibenmodulatoren für verschiedene Funktionalitäten vor. ... weiterlesen.
 
27. Juli 2018: Benjamin Fingerhut erhält ERC Starting Grant
Dr. Benjamin Fingerhut, Nachwuchsgruppenleiter am Max-Born-Institut (MBI), ist Empfänger des renommierten ERC Starting Grants 2018. Das Projekt behandelt ultraschnelle biomolekulare Dynamik mittels eines theoretischen, nicht-adiabatischen Ansatzes. Die Auszeichnung wird vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council - ERC) an exzellente Wissenschaftler vergeben, um diese am Beginn ihrer unabhängigen Forschungslaufbahn zu unterstützen. ... weiterlesen.
 
13. Juli 2018: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?
Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung. Sie kommen in verschiedenen Varianten vor. Ferrimagnete bilden die größte Klasse von Magneten und bestehen aus zwei Arten von Atomen. Ähnlich einer Kompassnadel besitzt jedes Atom ein kleines magnetisches Moment, auch Spin genannt, welches von den Elektronen des Atoms erzeugt wird. Bei einem Ferrimagneten zeigen die magnetischen Momente der beiden Atome in entgegengesetzte Richtungen (siehe Abbildung A). Die Gesamtmagnetisierung ist somit die Summe aller magnetischen Momente von Typ 1 (M1, blaue Pfeile) und Typ 2 (M2, grüne Pfeile). Aufgrund der entgegengesetzten Richtung ist die Größe der Gesamtmagnetisierung durch die Differenz M1,-M2 gegeben. ... weiterlesen.
 
21. Juni 2018: Dr. Federico Furch zum OSA Botschafter 2018 ernannt
Im Oktober 2017 gab die Optical Society of America (OSA) bekannt, wer im Jahrgang 2018 zu den OSA- Botschaftern zählen wird. Zu den Mitgliedern dieses Jahrgangs zählt der MBI-Forscher Dr. Federico Furch, der in den letzten Jahren insbesondere für die Entwicklung eines hochmodernen 100 kHz OPCPA-Laser-Systems verantwortlich war, das gegenwärtig in Attosekundenexperimenten Anwendung findet. ... weiterlesen.
 
14. Juni 2018: "Bilder von atomaren Wasserstofforbitalen in NOVA/PBS Doku"
Bilder von atomaren Wasserstofforbitalen, die auf Untersuchungen von MBI Forschern basieren, wurden nun in einem neuen Dokumentarfilm der NOVA/PBS Reihe verwendet (Link). Im Video wird erklärt, wie die zweidimensionale Wellenfunktion eines Wasserstoffatoms visualisiert werden kann: mit Hilfe eines zweidimensionalen Detektors werden eine große Anzahl ionisierter Elektronen eines nach dem anderen aufgezeichnet und zu einem Bild zusammengefügt. Die Ergebnisse wurden bereits 2013 in Physical Review Letters veröffentlicht (Highlight Link). und von "physicsworld.com" zu den "Top 10 breakthroughs" in 2013 gewählt. (Highlight Link). ... weiterlesen.
 
13. Juni 2018: Dr. Daniela Rupp wird den Karl-Scheel Preis 2018 erhalten
Wie die Physikalische Gesellschaft zu Berlin bekannt gab, wird Frau Dr. Daniela Rupp, Nachwuchsgruppenleiterin am Max-Born-Institut, mit dem Karl-Scheel Preis geehrt werden. Wir freuen uns und gratulieren ihr ganz herzlich zu dieser Auszeichnung. ... weiterlesen.
 
31. Mai 2018: R÷ntgenholografie zeigt einen Nano-Flickenteppich wńhrend des PhasenŘberganges in Vanadiumdioxid
Die Rolle elektronischer Korrelation beim Isolator-Metall Phasenübergang in dem prototypischen Material VO2 wurde in Fachkreisen lang debattiert. Durch Kombination von Röntgenholografie mit spektroskopischer Information konnte ein internationales Forscherteam nun direkt beobachten, wie kleine Flecken unterschiedlicher Phasen während des Isolator-Metall Überganges auf Nanometerskala koexistieren ... weiterlesen.
 
4. Mai 2018: Lasergetriebene Elektronenrekollision erinnert sich an die Molekülorbitalstruktur
Wissenschaftler vom Max-Born-Institut in Berlin haben durch eine Kombination modernster Experimente und numerischer Simulationen eine grundlegende Annahme der Starkfeld-Physik untersucht. Ihre Ergebnisse verfeinern unser Verständnis von starkfeldgetriebenen Prozessen, wie der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) und der laserinduzierten Elektronendiffraktion (LIED). Die Forschungsergebnisse sind in "Science Advances" erschienen. ... weiterlesen.
 
16. April 2018: Freigesetzt lassen sich Elektronen besser fangen
Forscher der UNIGE und des MBI in Berlin haben erstmalig ein Elektron in einen Doppelzustand versetzt, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist. Damit bestätigen sie eine Hypothese aus den 1970er Jahren. ... weiterlesen.
 
16. April 2018: Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
Dank der geschickten Kombination neuartiger Technologien lassen sich vielversprechende Materialien für die Elektronik von morgen untersuchen. In den letzten Jahrzehnten sind Computer immer schneller geworden und zugleich haben Festplatten und Speicherchips riesige Kapazitäten erreicht. Die Entwicklung kann aber nicht immer so weiter gehen: Schon heute zeichnen sich physikalische Grenzen ab, die eine weitere drastische Beschleunigung der auf Silizium basierenden Computertechnik unmöglich machen. ... weiterlesen.
 
12. April 2018: Schwingende Atome schalten die elektrische Polarisation von Kristallen
Ferroelektrische Kristalle besitzen eine makroskopische elektrische Polarisation die durch die Überlagerung sehr vieler Dipole auf atomarer Skala hervorgerufen wird. Entscheidend ist dabei die räumliche Trennung von negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Atomkernen. Man erwartet eine Änderung der makroskopischen Polarisation sobald die Atome in Bewegung versetzt werden, der Zusammenhang zwischen atomarer Bewegung und Polarisation ist jedoch unbekannt. Ein zeitaufgelöstes Röntgenexepriment zeigt jetzt dass atomare Schwingungen mit einer winzigen Auslenkung Elektronen über eine 1000-fach größere Distanz zwischen Atomen verschieben und die makroskopische Polarisation auf einer Zeitskala von einem Millionstel einer Millionstel Sekunde umschalten. ... weiterlesen.
 
09. April 2018: Röntgenschnappschüsse von reagierenden Säuren und Basen - Erik T. J. Nibbering erhält "ERC Advanced Grant" für richtungsweisende Grundlagenforschung
Dr. Erik T. J. Nibbering vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin erhält einen "Advanced Grant" des Europäischen Forschungsrats (ERC). Ziel des ausgezeichneten Projekts ist die Erforschung extrem schneller Prozesse, die den Protonenaustausch zwischen Säuren und Basen bestimmen. Der "ERC Advanced Grant" ist mit 2,5 Millionen Euro dotiert und wird an renommierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus ganz Europa für herausragende Forschungsvorhaben vergeben. ... weiterlesen.
 
27. Februar 2018: Ein Kreisel aus Licht
Kurze, rotierende Lichtpulse verraten viel über die innere Struktur von Materialien. Ein internationales Team von Physikern um Prof. Misha Ivanov vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) hat nun ein neues Verfahren entwickelt, um solche extrem kurzen Lichtpulse genau zu charakterisieren. Die Forschungsergebnisse sind in Nature Communications erschienen ... weiterlesen.
 
18. Februar 2018: Wenn Elektronen Walzer tanzen - Rechts- und linkshändige Moleküle lassen sich mit Hilfe kurzer Laserpulse auseinanderhalten
Die Identifikation rechts- und linkshändiger Moleküle ist entscheidend für viele Anwendungen in der Chemie und Pharmazie. Ein internationales Forscherteam (CELIA-CNRS/INRS/Max-Born-Institut/SOLEIL) hat nun ein neues originelles und hochempfindliches Verfahren vorgestellt, mit dem sich die Händigkeit von Molekülen um ein Vielfaches besser bestimmen lässt als mit bisherigen Methoden. Mit Hilfe extrem kurzer Laserpulse bringen die Forscher Elektronen in Molekülen zum Schwingen und können so den Drehsinn der Moleküle bestimmen. Die Forschungsergebnisse sind in "Nature Physics" erschienen ... weiterlesen.
 
16. Januar 2018: Flexibilität und Ordnung - die Wechselwirkung zwischen Ribonukleinsäure und Wasser
Ribonukleinsäure (RNA) spielt eine Schlüsselrolle für biochemische Prozesse, die auf zellulärer Ebene in einer wässrigen Umgebung ablaufen. Mechanismen und Dynamik der Wechselwirkung zwischen RNA und Wasser wurden jetzt durch Schwingungsspektroskopie im Ultrakurzzeitbereich aufgeklärt und theoretisch analysiert. ... weiterlesen.
 
15. Januar 2018: Fußabdrücke von Röntgenpulsen
Wissenschaftler des MBI haben zusammen mit Kollegen italienischer Forschungseinrichtungen eine Methode gefunden, um den "Fußabdruck" eines Röntgenlaserpulses auf einer Probe zu bestimmen. ... weiterlesen.
 
1. Januar 2018: Marc Vrakking zum Chefredakteur von "Journal of Physics B" ernannt.
Prof. Marc Vrakking, Direktor Bereich A des Max-Born-Institutes wurde am 1. Januar 2018 zum Chefredakteur des "Journal of Physics B" ernannt. Er tritt damit die Nachfolge von Prof. Paul Corkum, "University of Ottawa" an, der in dieser Funktion seit 2011 tätig war ... weiterlesen.
 

 
Weitere Einzelheiten:

 


Ein Jet von Atomen - Erste Linse für extrem ultraviolettes Licht entwickelt

28. November 2018

Wissenschaftler vom Max-Born-Institut (MBI) haben die erste refraktive Linse entwickelt, die extrem ultraviolette Strahlen fokussiert. Anstelle von Glaslinsen, die im extrem ultravioletten Bereich undurchsichtig sind, haben sie eine Linse genutzt, die aus einem Jet von Atomen besteht. Hierdurch bieten sich zukünftig neue Möglichkeiten, um beispielsweise biologische Strukturen auf kürzesten Zeitskalen abzubilden und somit besser zu verstehen. Die Ergebnisse sind jetzt in "Nature" veröffentlicht worden.

Ein Baumstamm, der teilweise unter Wasser liegt, scheint gebogen zu sein. Schon lange weiß man, dass dies die Brechung verursacht, das heißt der Lichtstrahl wird auf seinem Weg von einem Medium (Wasser) zu einem anderen (Luft) gebrochen. Auch bei Linsen, die in unserem Leben unentbehrlich sind, ist Brechung das grundlegende physikalische Prinzip. Sie sind Teil unseres Auges, sie dienen als Brillen, Kontaktlinsen sowie als Objektive von Kameras, und sie werden zum Kontrollieren von Laserstrahlen benutzt.

Mit der Entdeckung neuer Bereiche des elektromagnetischen Spektrums wie der ultravioletten (UV) Strahlung und Röntgenstrahlung wurden refraktive Linsen entwickelt, die an diese spektralen Bereiche genau angepasst sind. Elektromagnetische Strahlung im extrem ultravioletten (XUV) Bereich ist jedoch speziell. Sie umfasst den Wellenlängenbereich zwischen der UV- und Röntgenstrahlung - aber im Gegensatz zu diesen beiden Strahlungsbereichen kann sie sich nur im Vakuum oder in stark verdünnten Gasen bewegen. Heutzutage wird XUV-Strahlung bei der Lithographie für Halbleiter genutzt wie auch in der Grundlagenforschung, um die Struktur und die Dynamik von Materie zu verstehen und zu kontrollieren. Sie ermöglicht Lichtpulse im Attosekundenbereich - dies sind die kürzesten Lichtpulse, die Menschen erzeugen können (eine Attosekunde ist ein Millardstel einer Millardstel Sekunde). Aber trotz der großen Zahl an XUV-Quellen und -Anwendungen gab es bislang keine XUV-Linsen. Der Grund hierfür ist, dass die XUV-Strahlung stark von festem oder flüssigem Material absorbiert wird und sie sich somit nicht durch konventionelle Linsen bewegen kann.

Um die XUV-Strahlung zu fokussieren, hat das Wissenschaftlerteam am MBI einen neuen Ansatz gewählt: Sie ersetzten eine Glaslinse mit einem Jet von Atomen aus dem Edelgas Helium (siehe Abb. 1). Diese Linse profitiert von der hohen Durchlässigkeit des Heliums im XUV-Spektralbereich. Zur gleichen Zeit kann sie präzise kontrolliert werden, da die Dichte des Gases im Jet geändert werden kann. Dies ist wichtig, um die Brennweite einzustellen und die Größe der fokussierten XUV-Strahlung zu minimieren.

Verglichen mit gekrümmten Spiegeln, die häufig zum Fokussieren von XUV-Strahlung genutzt werden, haben diese gasförmigen refraktiven Linsen einige Vorteile: Eine neue Linse wird beständig durch den Fluss an Atomen im Jet gebildet, so dass Beschädigungen kein Problem darstellen. Weiterhin geht - anders als bei einem typischen Spiegel - durch die Gaslinse kaum XUV-Strahlung verloren. "Dies ist die wichtigste Verbesserung, weil die Erzeugung von XUV-Strahlen komplex und oft sehr teuer ist", erklärt Dr. Bernd Schütte, Wissenschaftler am MBI und Mitautor der Publikation.

In ihrer Arbeit haben die Wissenschaftler weiterhin gezeigt, dass ein Jet von Atomen als ein Prisma dienen kann, das die XUV-Strahlung in seine Spektralkomponenten zerlegt (siehe Abb. 2). Dies ist vergleichbar mit einem Regenbogen, bei dem Wassertropfen das Sonnenlicht in seine Spektralfarben brechen - nur sind die "Farben" der XUV-Strahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar.

Die Entwicklung von Linsen und Prismen im gasförmigen Zustand ermöglicht den Transfer optischer Techniken, die auf Brechung beruhen, auf den XUV-Bereich. Diese Techniken haben im sichtbaren sowie Infrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums ein breites Einsatzgebiet. Gaslinsen könnten beispielsweise dazu dienen, ein XUV-Mikroskop zu entwickeln oder XUV-Strahlen auf einen Punkt in Nanometergröße zu fokussieren. Dies könnte zukünftig dabei helfen, strukturelle Veränderungen von Biomolekülen auf kürzesten Zeitskalen zu beobachten.

3d Deutsch
Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Fokussierung eines XUV-Lichtstrahls durch einen Jet aus Atomen, der als Linse dient (Credit: Oleg Kornilov, Lorenz Drescher)

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Abb. 2 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 2:Unsichtbarer Regenbogen, der durch einen Jet von Helium-Atomen entsteht. Licht mit Farben nahe zu Heliumresonanzen werden entweder nach oben oder unten abgelenkt. (Abb. MBI)

Originalpublikation:
Lorenz Drescher, Oleg Kornilov, Tobias Witting, Geert Reitsma, Nils Monserud, Arnaud Rouzée, Jochen Mikosch, Marc Vrakking, Bernd Schütte
"Extreme-ultraviolet refractive optics"
Nature, 28. November 2018 (online),doi.org/10.1038/s41586-018-0737-2

Weitere Informationen:
Dr. Bernd Schütte, Tel.: 030 6392 1295
Prof. Dr. M.J. Vrakking , Tel.: 030 6392 1200

 
     
 


Dr. Daniela Rupp wurde mit dem diesjährigen Berliner Wissenschaftspreis in der Kategorie "Nachwuchspreis" ausgezeichnet

8. November 2018

Dr. Daniela Rupp, Leiterin der Nachwuchsgruppe "Ultrakurzzeitdynamik in Nanoplasmen", wurde mit dem diesjährigen Berliner Wissenschaftspreis des Regierenden Bürgermeisters Michael Müller in der Kategorie "Nachwuchspreis" ausgezeichnet.

Die Wissenschaftlerin wurde für ihre wegweisenden Forschungen zum Verständnis von Abbildung und Wechselwirkung nanometerkleiner Teilchen mithilfe von intensiven Röntgenimpulsen ausgezeichnet. Die Preisverleihung fand am Mittwoch, dem 7. November im Roten Rathaus statt. In seiner Laudatio erklärte Prof. em. Ingolf Hertel (ehemaliger Direktor des Bereichs A des MBI), dass Daniela Rupp für ihre Forschungsarbeiten sowohl Freie Elektronenlaser an Großforschungseinrichtungen nutze als auch kleine, laborbasierte Systeme, wie die Quellen zur Erzeugung Höherer Harmonischer am MBI. Sie setzt beide Systeme ein, um noch nie dagewesene Einblicke in die Form und lasergetriebenen Dynamiken von Edelgasclustern und nanogroßen Tröpfchen zu erhalten. (MBI Highlight Nature Communications "Erstmals freie Nanoteilchen mit hochintensiver Laserquelle im Laborexperiment abgebildet, 8. September 2017") . Daniela Rupp erhielt bereits früher den Karl Scheel Preis 2018 und den Carl Ramsauer Preis 2013, beides Auszeichnungen der Berliner Sektion der Deutschen Physikalischen Gesellschaft.

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Dr. Daniela Rupp, Nachwuchsgruppenleiterin am Max-Born-Institut, Berlin
(Quelle: Senatskanzlei Berlin)

Kontakt:

Dr. Daniela Rupp, Tel.: 030 6392 1280

 

 

 
     
 


Datenspeicher der Zukunft - Extrem kleine magnetische Nanostrukturen mit Tarnkappen beobachtet

17. September 2018

Neuartige Konzepte der magnetischen Datenspeicherung zielen darauf, besonders kleine magnetische Bits in einem Speicherchip hin- und herzuschicken, dicht gepackt abzuspeichern und später wieder auszulesen. Das magnetische Streufeld verhinderte bisher die Herstellung besonders kleiner Bits. Jetzt ist es Forschern des Max-Born-Institutes (MBI), des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und DESY gelungen, den magnetischen Nanostrukturen eine "Tarnkappe" aufzusetzen. Auf diese Weise lässt sich das magnetische Streufeld so reduzieren, dass die Bits gleichzeitig klein und dennoch sehr beweglich sein können. Die Forschungsergebnisse sind in "Nature Nanotechnology" erschienen.

Für Physiker ist Magnetismus fundamental mit Drehbewegungen von Elektronen in Atomen verknüpft. Die Elektronen, die um einen Atomkern kreisen und sich auch um sich selbst drehen, erzeugen durch diese Bewegung das magnetische Moment des Atoms. Das mit diesem magnetischen Moment verknüpfte magnetische Streufeld ist es, das wir alle von einem Stabmagneten kennen und nutzen, um Zettel an einer magnetischen Pinnwand zu befestigen. Ebenso wird das magnetische Streufeld genutzt, um magnetisch gespeicherte Information von einer Festplatte zu lesen. In heutigen Festplatten ist ein einzelnes magnetisches Bit nur etwa 15 x 45 Nanometer groß, etwa 1.000.000.000.000 von ihnen würden auf eine Briefmarke passen.

In neuartigen Konzepten magnetischer Datenspeicherung möchte man solche magnetischen Bits gerne durch Strompulse in einem Speicherchip hin- und herschicken, um sie an geeignetem Ort dicht gepackt zum Speichern abzulegen und später wieder auszulesen. Hier erweist sich nun das magnetische Streufeld als Fluch: Es verhindert, dass die magnetischen Strukturen noch kleiner gemacht und damit Informationen dichter gepackt werden können. Andererseits wird das dem Streufeld zugrunde liegende magnetische Moment gebraucht, um die Strukturen überhaupt bewegen zu können.

Den Forschern ist es nun gelungen, kleinen magnetischen Nanostrukturen eine "Tarnkappe" aufzusetzen und zu beobachten, wie klein und schnell solche getarnten Bits sein können. Dazu wurden Atomsorten mit entgegengesetztem Drehsinn der Elektronen und damit entgegengesetztem magnetischem Moment kombiniert. Auf diese Weise lässt sich das magnetische Streufeld reduzieren oder sogar völlig abschalten - die einzelnen Atome in der Nanostruktur haben dabei aber immer noch ein magnetisches Moment, sie tragen quasi nur eine Tarnkappe.

Dennoch war es den Forschen möglich, die kleinen Strukturen abzubilden. Sie bedienten sich dabei der Methode der Röntgenholografie, die es erlaubt, gezielt nur die magnetischen Momente einer einzigen Atomsorte sichtbar zu machen - so konnten die Strukturen ohne ihre Tarnkappe abgebildet werden.

Dabei zeigte sich, dass durch geschicktes Einstellen der Stärke der Tarnkappe zwei Dinge erreicht werden können, die für mögliche Anwendungen als Datenspeicher wichtig sind. "In unseren Bildern können wir sehr kleine, runde magnetische Strukturen erkennen", erklärt Dr. Bastian Pfau vom MBI. "Die kleinsten Durchmesser, die wir gefunden haben, betragen nur 10 Nanometer". Könnten diese Strukturen zur Datenspeicherung genutzt werden, ließe sich daher die Speicherdichte gegenüber heutigen Festplatten noch einmal deutlich erhöhen. In weiteren Messungen am MIT fanden die Forscher zudem heraus, dass sich getarnte Nanomagnete durch Strompulse besonders schnell bewegen lassen - eine wichtige Eigenschaft für eine mögliche Anwendung. So wurden Geschwindigkeiten von über einem Kilometer pro Sekunde erreicht.

"Dass dies möglich ist, ist eine Konsequenz der Quantenphysik", erklärt Prof. Stefan Eisebitt vom MBI. "Der Beitrag der Drehbewegung eines Elektrons um den Atomkern zum magnetischen Moment ist nur halb so groß wie der Beitrag, den die Drehung des Elektrons um sich selbst liefert." Kombiniert man verschiedene Atomsorten mit unterschiedlichem Drehsinn der Elektronen in einem Festkörper, so kann man die Gesamtdrehung - die Physiker sprechen vom sogenannten Drehimpuls des Systems - daher auslöschen und dennoch ein kleines magnetisches Moment beibehalten. Da der Drehimpuls zu einer Abbremsung der Bewegung der magnetischen Strukturen durch Strompulse führt, lassen sich mit diesem Ansatz hohe Geschwindigkeiten erzielen. Gelingt es also, die Tarnkappe genau zu justieren, dann können die entstehenden magnetischen Nanostrukturen sowohl sehr klein sein als auch schnell bewegt werden - eine interessante Aussicht für neuartige Speichertechnologien auf der Basis magnetischer Nanostrukturen.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Ein magnetisches Skyrmion könnte zukünftig als ein magnetisches Bit in der Datenspeicherung für eine "1" stehen. Das Skyrmion besteht aus einer besonderen Anordnung der magnetischen Momente benachbarter Atome, in den Bildern durch Pfeile repräsentiert. Besitzt das Skyrmion eine "Tarnkappe", weil benachbarte magnetische Momente nahezu entgegengesetzt sind und das magnetische Streufeld verringern, so lassen sich kleinere Skyrmionen stabilisieren, so wie in der Abb. rechts gezeigt. Physiker sprechen von "antiferromagnetischer" (AFM) statt "ferromagnetischer" (FM) Ordnung von Momenten an benachbarten Atomen. (Copyright: L. Caretta, M. Huang, MIT)

Originalpublikation:
Lucas Caretta, Maxwell Mann, Felix Büttner, Kohei Ueda, Bastian Pfau, Christian M. Günther, Piet Hessing, Alexandra Churikova, Christopher Klose, Michael Schneider, Dieter Engel, Colin Marcus, David Bono, Kai Bagschik, Stefan Eisebitt and Geoffrey S. D. Beach
"Fast current-driven domain walls and small skyrmions in a compensated ferrimagnet"
Nature Nanotechnology; doi.org/10.1038/s41565-018-0255-3.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. S. Eisebitt, Tel.: 030 6392 1300
Dr. Bastian Pfau, Tel.: 030 6392 1343

 
     
 


Makroskopische elektrische Polarisationen und Elektronen auf atomarer Skala - ein neuer Zusammenhang aus Femtosekunden-Röntgenexperimenten

27. August 2018

Röntgenexperimente im Femtosekunden-Bereich und ein neuer theoretischer Ansatz stellen eine direkte Verbindung zwischen elektrischen Eigenschaften makroskopischer Systeme und Elektronenbewegungen auf atomaren Längen- und Zeitskalen her. Die Ergebnisse eröffnen neue Wege zu Verständnis und Optimierung ferroelektrischer Materialien.

Vorgänge in der makroskopischen Welt werden durch die klassische Physik beschrieben, während Prozesse auf atomaren Längen- und Zeitskalen den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen. Der Zusammenhang zwischen mikroskopischen und makroskopischen physikalischen Größen ist nicht trivial und teilweise unverstanden.

Die elektrische Polarisation ist eine makroskopische Größe, die das Dipolmoment von Materie beschreibt. Polarisationen werden durch die Verteilung elektrischer Ladungen auf atomarer Skala in polaren und ionischen Materialien hervorgerufen, darunter die besonders interessante Gruppe der Ferroelektrika. Deren spontane elektrische Polarisation findet Anwendung in elektronischen Sensoren, Speichern und Schaltelementen. Der Zusammenhang zwischen Polarisationen, vor allem zeitabhängigen, und mikroskopischen Elektronenverteilungen ist von großer Bedeutung für das Verständnis und die gezielte Veränderung der ferroelektrischen Eigenschaften.

Auf der Grundlage eines neuen experimentellen und theoretischen Ansatzes haben Wissenschaftler des Max-Born-Instituts jetzt eine direkte quantitative Verbindung zwischen makroskopischen Polarisationen und zeitabhängigen mikroskopischen Elektronendichten hergestellt. Wie sie in der Zeitschrift Physical Review B berichten, löst in den Experimenten eine optische Anregung atomare Bewegungen aus, welche die Elektronenverteilung im Femtosekunden-Zeitbereich modulieren (1 fs = 10-15 Sekunden). Die Elektronendynamik wird durch zeitaufgelöste Röntgen-Pulverbeugung aufgezeichnet. Aus den Daten werden räumlich und zeitlich aufgelöste "Landkarten" der Elektronendichte abgeleitet, die mit Hilfe eines neuen theoretischen Konzepts eine Bestimmung der momentanen makroskopischen Polarisation gestatten. Die Methode wurde anhand von zwei prototypischen Ferroelektrika demonstriert.

Die theoretische Methode zur Beschreibung der ultraschnellen Dynamik von Ladung und Polarisation beruht auf einer Erweiterung von Ansätzen, die durch eine Betrachtung von Quantenphasen (Berry-Phase) stationäre makroskopische Polarisationen liefern. Wesentliche Schritte bestehen in der Berechnung mikroskopischer Stromdichten aus den zeitabhängigen Ladungsdichtekarten, wobei die kinetische Energie der Elektronen minimiert wird. Aus diesen so bestimmten mikroskopischen Stromdichten wird dann die makroskopische Polarisation bestimmt. Dieses Verfahren wird auf das Ferroelektrikum Ammoniumsulfat [(NH4)2SO4, Fig. 1] angewendet, die zeitabhängigen Ladungs- und Stromdichten sind in dem beigefügten Film gezeigt. Als zweites prototypisches System wurde KDP [KH2PO4] untersucht. Die Analyse liefert die Absolutwerte der makroskopischen Polarisationsänderungen, die durch mikroskopische Schwingungen moduliert werden.

Die Ergebnisse etablieren die Röntgenbeugung im Ultrakurzzeitbereich als ideales Werkzeug zur Erfassung makroskopischer elektrischer Eigenschaften komplexer Materialien. Die besondere Bedeutung dieser neuen Erkenntnisse wird durch die Würdigung der Publikation als "Editor's Suggestion" unterstrichen.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Oben: Kristallgitter des ferroelektrischen Ammoniumsulfats [(NH4)2SO4] mit verkippten Ammonium-Tetraedern (NH4+, Stickstoff blau, Wasserstoff weiß) und Sulfat-Tetraedern (SO42-, Schwefel gelb, Sauerstoff rot). Der grüne Pfeil zeigt die Richtung der makroskopischen Polarisation P an. Blaue Pfeile: Lokale Dipole zwischen Schwefel- und Sauerstoffatomen. Die Elektronendichtekarten unten links und im beigefügten Film wurden in der grau markierten Ebene aufgenommen. Die Karte unten links zeigt die stationäre Elektronenverteilung mit einer hohen Dichte im Schwefel- und einer geringeren Dichte in den Sauerstoffatomen. Unten rechts sind die Änderungen der lokalen Dipole zu einem Zeitpunkt von 2.8 ps nach der Anregung der Probe gezeigt (rote Pfeile, blaue Pfeile: stationärer Wert). Eine anisotrope Ladunsgverschiebung reduziert den nach rechts zeigenden Dipol und vergrößert die drei anderen.

Movie Movie: Links: Zeitanhängige Elektronendichte des Sulfations für Zeiten zwischen 2.7 und 5.1 ps nach der Anregung. Die Amplitude der gezeigten Dichteänderungen ist im Vergleich zum Experiment um einen Faktor 100 erhöht. Rechts: Zeitabhängige Stromdichte entlang der a-Achse des Kristalls, berechnet aus den transienten Elektronendichten. Die Stromdichte oszilliert mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad relativ zur Elektronendichte.

Originalpublikation:
Christoph Hauf, Michael Woerner, and Thomas Elsaesser
Macroscopic electric polarization and microscopic electron dynamics: Quantitative insight from femtosecond x-ray diffraction
Phys.Rev. B 98, 054306 (2018, Editor's Suggestion).

Weitere Informationen:
Dr. Christoph Hauf, Tel.: 030 6392 1473
Dr. Michael Wörner, Tel.: 030 6392 1470
Prof. Dr. Thomas Elsaesser, Tel.: 030 6392 1400

 
     
 


Langsam, aber effizient: Intensive Laser-Cluster Wechselwirkungen führen zu niedrigenergetischer Elektronenemission

8. August 2018

In den letzten 30 Jahren wurden die Wechselwirkungen zwischen intensiven Lasern und Clustern in erster Linie als ein vielversprechender Weg angesehen, um hochenergetische Ionen und Elektronen zu erzeugen. In überraschendem Gegensatz zu diesem bis heute vorherrschenden Paradigma hat ein Forscherteam nun entdeckt, dass auch eine sehr große Zahl an relativ langsamen Elektronen in diesen Wechselwirkungen erzeugt werden. Diese niedrigenergetischen Elektronen stellen einen bisher fehlenden Zusammenhang her, um die Prozesse zu verstehen, die ein intensiver Laserpuls in einem Nanopartikel auslöst. Dies ist hochrelevant für die Abbildung von Biomolekülen auf ultrakurzen Zeitskalen.

Wenn ein Nanopartikel einem intensiven Laserpuls ausgesetzt ist, verwandelt er sich in ein Nanoplasma, das sich extrem schnell ausdehnt. Verschiedene Phänomene finden statt, die auf der einen Seite faszinierend sind, auf der anderen Seite aber auch wichtig für Anwendungen. Beispiele sind die Erzeugung hochenergetischer Elektronen, Ionen und neutraler Atome, die effiziente Erzeugung von Röntgenstrahlen, und sogar Kernfusion wurde beobachtet. Während diese Beobachtungen recht gut verstanden sind, hat eine andere Beobachtung, nämlich die Erzeugung hochgeladener Ionen, Forscher bisher vor ein Rätsel gestellt. Der Grund dafür ist, dass Modellrechnungen eine sehr effiziente Rekombination von Elektronen und Ionen im Nanoplasma vorhergesagt haben, was zu einer drastischen Reduzierung der Ladungszustände der Ionen führen würde.

In einer Forschungsarbeit, die in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, hat ein internationales Forschungsteam vom Imperial College London, der Universität Rostock, dem Max-Born-Institut, der Universität Heidelberg sowie ELI-ALPS dabei geholfen, dieses Rätsel zu lösen. Winzige Cluster bestehend aus einigen tausend Atomen wechselwirkten mit ultrakurzen, intensiven Laserpulsen. Die Forscher fanden heraus, dass die große Mehrheit der emittierten Elektronen sehr langsam waren (Abb. 1). Desweiteren hat sich herausgestellt, dass die niedrigenergetischen Elektronen mit einer Verzögerung im Vergleich zu den hochenergetischen Elektronen emittiert wurden.

Erstautor der Studie Dr. Bernd Schütte, der die Experimente am Imperial College London im Rahmen eines Forschungsstipendiums durchgeführt hat und nun am Max-Born-Institut forscht, sagt: "Viele Faktoren wie z.B. das Erdmagnetfeld beeinflussen die Bewegung langsamer Elektronen, was die Detektion sehr schwierig macht und erklärt, wieso diese Elektronen bisher noch nicht beobachtet wurden. Unsere Beobachtungen waren unabhängig von den spezifischen Cluster- und Laserparametern, und sie helfen uns dabei, die komplexen Prozesse auf der Nanoskala zu verstehen."

Um die experimentellen Beobachtungen zu verstehen, haben Forscher um Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock und dem Max-Born-Institut die Wechselwirkung des intensiven Laserpulses mit dem Cluster simuliert. "Unsere atomistischen Simulationen haben gezeigt, dass die langsamen Elektronen aus einem Zwei-Stufen Prozess resultieren, wobei die zweite Stufe auf einem finalen Schwung beruht, der Forschern bisher entgangen ist", erklärt Fennel. Zunächst löst der intensive Laserpuls Elektronen aus individuellen Atomen. Diese Elektronen bleiben im Cluster gefangen, da sie stark von den Ionen angezogen werden. Wenn sich diese Anziehung durch das Auseinanderdriften der Partikel während der Clusterexpansion verringert, wird die Bühne für den zweiten wichtigen Schritt bereitet. Dabei kollidieren schwach gebundene Elektronen mit einem hochangeregten Ion, was ihnen den finalen Schwung gibt, um dem Cluster zu entfliehen. Da diese korrelierten Prozesse sehr schwierig zu simulieren sind, waren die Computerressourcen des Norddeutschen Verbundes für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN) essenziell, um das Puzzle zu lösen.

Die Forscher haben herausgefunden, dass die Emission langsamer Elektronen ein sehr effizienter Prozess ist, der es einer großen Zahl von langsamen Elektronen ermöglicht, dem Cluster zu entfliehen. Eine wichtige Konsequenz daraus ist, dass es sehr viel schwieriger für hochgeladene Ionen ist, Partner-Elektronen zu finden, mit denen sie rekombinieren können. Viele der Ionen verbleiben daher in hohen Ladungszuständen. Die Entdeckung der langsamen Elektronen kann dabei helfen zu verstehen, warum hochgeladene Ionen in Wechselwirkungen von intensiven Laserpulsen mit Clustern beobachtet werden. Diese Erkenntnisse könnten wichtig sein, da langsame Elektronen eine große Rolle für Strahlenschäden von Biomolekülen spielen, für die die Cluster ein Modell darstellen.

Prof. Jon Marangos vom Imperial College London sagt: "Seit Mitte der 1990er Jahre haben wir an der Emission von energetischen Partikeln (Elektronen und hochgeladene Ionen) von atomaren Clustern in Laserfeldern gearbeitet. Es ist überraschend, dass bis jetzt die verzögerte Elektronenemission bei viel niedrigeren Energien übersehen wurde. Nun stellt sich heraus, dass dies ein sehr wichtiges Phänomen ist, das für die Mehrheit der emittierten Elektronen verantwortlich ist. Von daher könnte es eine große Rolle spielen, wenn kondensierte Materie oder große Moleküle jeglicher Art mit einem hochintensiven Laserpuls wechselwirken."

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Die Energieverteilung von Elektronen aus der Wechselwirkung von Argon-Clustern mit intensiven Laserpulsen wird durch langsame Elektronen dominiert (orangene Fläche). Die Einfügung zeigt das gleiche Spektrum auf einer logarithmischen Skala, wobei die langsamen Elektronen (rote Linie) und die schnellen Elektronen (rote Linie) gekennzeichnet sind.

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Abb. 2 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 2: Atomistische Simulation der Laser-induzierten Cluster-Explosion

Originalpublikation:
Bernd Schütte, Christian Peltz, Dane R. Austin, Christian Strüber, Peng Ye, Arnaud Rouzée, Marc J. J. Vrakking, Nikolay Golubev, Alexander I. Kuleff, Thomas Fennel and Jon P. Marangos
"Low-energy electron emission in the strong-field ionization of rare gas clusters"
Physical Review Letters 0031-9007/18/121(6)/063202(6)/ DOI:10.1103/PhysRevLett.121.063202

Weitere Informationen:
Dr. Bernd Schütte, Tel.: 030 6392 1295
Prof. Dr. Thomas Fennel , Tel.: 030 6392 1245

 
     
 


Konzepte für neue schaltbare plasmonische Nanobauteile: ein Nanometer magneto-plasmonischer Router und ein magneto-plasmonischer Scheibenmodulator hohen Kontrasts, die durch ein äußeres magnetisches Feld gesteuert werden.

2. August 2018

Plasmonische Wellenleiter eröffnen die Möglichkeit zur Entwicklung dramatisch verkleinerter optischer Bauteile und liefern eine vielversprechende Route zu zukünftigen Technologien für integrierte Schaltkreise für die Informationsverarbeitung, für optisches Computing und andere. Hauptelemente von nanophotonischen Schaltkreisen sind steuerbare Router und plasmonische Modulatoren. Kürzlich entwickelte Dr. Joachim Herrmann vom MBI in Kooperation mit auswärtigen Partnern neue Konzepte für die Realisierung solcher Nanobauteile. Sie untersuchten die Ausbreitung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs) in magneto-plasmonischen Wellenleitern. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie schlugen sie neue Varianten von steuerbaren magneto-plasmonischen Routern und magneto-plasmonischen Scheibenmodulatoren für verschiedene Funktionalitäten vor.

In einem Wellenleiter, der aus einem metallischen Film mit einer Dicke, die die Skin-Tiefe übertrifft, und von einem ferromagnetischen dielektrischen Material umgeben ist, bewirkt ein äußeres magnetisches Feld eine räumliche Asymmetrie der Modenverteilung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP). Die Überlagerung der geraden und der ungeraden Moden führt nach einer bestimmten Ausbreitungslänge zu einer Konzentration der SPP-Energie auf eine Oberfläche der metallischen Schicht, die auf die entgegengesetzte Oberfläche durch die Änderung der Richtung des magnetischen Feldes umgeschaltet werden kann. Basierend auf diesem Phänomen schlägt die Gruppe einen neuen Typ eines Wellenleiter-integrierten magnetisch gesteuerten umschaltbaren Routers vor. Ein Schema eines solchen Nanobauteils ist in Abb. 1 dargestellt, das aus einem T-geformten metallischen Wellenleiter besteht, der von einem ferromagnetischen dielektrischen Material umgeben ist und unter der Wirkung eines äußeren zu einer Magnetisierung M führenden magnetischen Feldes steht. In Abb. 2 sind die Ergebnissse einer numerischen Lösung der Maxwell Gleichungen für die SPP Ausbreitung in dieser Struktur dargestellt. Wie zu sehen ist, bewirkt eine Richtungsänderung des magnetischen Feldes eine Kanal-Umschaltung mit 99% Kontrast innerhalb einer optischen Bandbreite von 10 THz. Hier ist g die Gyration g=χ M, χ ist die magneto-optische Suszeptibilität und g0 eine charakteristische Gyration, die für eine bedeutsame Modenasymmetrie notwendig ist. Eine Richtungsänderung des magnetischen Feldes kann durch integrierte elektrische Schaltkreise mit einer Wiederholungsrate im GHz Bereich erzeugt werden. Bisher wurde nur in wenigen Artikeln über eine Realisierung von umschaltbaren plasmonischen Routern berichtet, die auf verzweigten Silberdrähten basieren und durch die Polarisation des einfallenen Lichts gesteuert werden.

In einer zweiten Publikation schlug die Gruppe eine neue Variante eines Nanometer plasmonischen Modulators vor, der aus einem Metall-Isolator-Metall Wellenleiter und einem seitlich angekoppelten magneto-optischen Scheibenresonator beruht und durch ein äußeres magnetisches Feld gesteuert wird (siehe Abb. 3). Eine Änderung der Wellenzahl und der Transmission von SPP Moden kann durch eine Änderung des magnetischen Feldes bewirkt werden. Ein/Aus-Umschaltung von laufenden SPP Moden durch dieses Bauteil infolge einer Richtungsumkehr des magnetischen Feldes wird durch die numerische Lösung der Maxwell Gleichungen demonstriert. Eine Resonanzüberhöhung der magneto-optischen Modulation von mehr als einem Faktor von 200 führt zu einer Kontrastrate von mehr als 90% bei einer moderaten Durchgangsdämpfung innerhalb einer Bandbreite von mehr als 100 GHz. Abb.4 zeigt die Verteilung der magnetischen Feldkomponente der SPP Moden bei einer Gyration von g=0.03 und g=-0.03. Wie zu sehen ist, führt eine Änderung der Richtung des äußeren magnetischen Feldes infolge der Änderung des Interferenzmusters von einem "Aus" zu einem "An"-Zustand des magneto-plasmonischen Modulators.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1:Schema eines schaltbaren plasmonischen Routers, der aus einem T-geformten metallischen Wellenleiter besteht, der von einem ferromagnetischen dielektrischen Material umgeben ist und unter der Wirkung eines äußeren magnetischen Feldes steht.

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Abb. 2 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 2: Numerische Ergebnisse für die Verteilung der SPP Intensität. Die Umkehr der Richtung des äußeren magnetischen Feldes führt zu einer Umschaltung der SPP Ausbreitung von Kanal 1 (a) zu Kanal 2 (b). Der metallische Wellenleiter ist aus Gold und das umgebende ferromagnetische dielektrische Material aus Bismut-Eisen-Granat (BIG).
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Abb. 3 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 3: Schema eines Nanometer plasmonischen Modulators, der aus einem Metall-Isolator-Metall Wellenleiter und einem seitlich angekoppelten magneto-optischen Scheibenresonator besteht und durch ein äußeres magnetisches Feld gesteuert wird.
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Abb. 4 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 4: Verteilung der magnetischen Feldkomponente der SPP Moden des magneto-plasmonischen Modulators bei einer Wellenlänge von 748 nm. Durch Änderung der Richtung des äußeren magnetischen Feldes wird die Transmission der SPP Moden von einem "Aus" Zustand (Abb.4a mit g=-0.03) zu einem "An"-Zustand (Abb. 4b mit g=0.03) geschaltet. Der metallische Wellenleiter ist aus Silber und das ferromagnetische dielektrische Material des Scheibenresonators aus Bismut-Eisen-Granat (BIG).

Originalpublikation:
Kum-Song Ho, Song-Jin Im, Ji-Song Pae, Chol-Song Ri, Yong-Ha Han and Joachim Herrmann
"Switchable plasmonic routers controlled by external magnetic fields by using magneto-plasmonic waveguides"

[1]Scientific Reports (2018) 8:10584 /DOI:10.1038/s41598.018.28567.8

Ji-Song Pae, Song-Jin IM, Kum-Song Ho, Chol-Song Ri, Sok-Bong Ro and Joachim Herrmann
"Ultracompact high-contrast magneto-optical disk resonator side-coupled to a plasmonic waveguide and switchable by an external magnetic field".

[2] Phys. Rev. B 98, 041406 (R) (2018).

Weitere Informationen:
Dr. Joachim Herrmann, Tel.: 030 6392 1278

 
     
 


Benjamin Fingerhut erhält ERC Starting Grant


27. Juli 2018

Dr. Benjamin Fingerhut, Nachwuchsgruppenleiter am Max-Born-Institut (MBI), ist Empfänger des renommierten ERC Starting Grants 2018. Das Projekt behandelt ultraschnelle biomolekulare Dynamik mittels eines theoretischen, nicht-adiabatischen Ansatzes. Die Auszeichnung wird vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council - ERC) an exzellente Wissenschaftler vergeben, um diese am Beginn ihrer unabhängigen Forschungslaufbahn zu unterstützen.

Der Europäische Forschungsrat (European Research Council - ERC) hat heute die Preisträger seines Starting Grants bekanntgegeben. In dem äußerst kompetitiven Auswahlverfahren wurde der Forschungsantrag von Benjamin Fingerhut zur Förderung ausgewählt. ERC Starting Grants sind darauf ausgelegt exzellente Nachwuchswissenschaftler bei der Etablierung ihres eigenen Forschungsprogramms zu unterstützen. ERC Starting Grants werden an Wissenschaftler bis zu 7 Jahre nach ihrer Promotion vergeben, um ein Forschungsprogramm an einer europäischen Universität oder Forschungseinrichtung durchzuführen. Die Auszeichnung wird mit einer Förderung von bis zu 1,5 Millionen Euro innerhalb der Säule "exzellente Grundlagenforschung" des Horizon 2020 Programms vergeben, dem Forschungs- und Innovationsprogramm der EU.

Das erfolgreiche Projekt widmet sich dem fundamentalen Verständnis ultraschnell ablaufender biomolekularer Schwingungsdynamik im mittleren Infrarot- und Terrahertzbereich, in welchem sich biologisch höchst relevante Dynamik ereignet. Der innovative, nicht-adiabatische Ansatz adressiert grundlegende Fragestellungen, wie Protonentransferdynamik, die Lebensdauer von Schwingungsübergängen und die Dissipation von Überschussenergie. Das Projekt zielt darauf ab ultraschnell ablaufende Dynamiken in polaren Lösungsmitteln, innerhalb nanoskalig begrenzter Umgebung und in der Nähe biologischer Grenzflächen aufzuklären. Als solches ermöglicht es der nicht-adiabatische Ansatz Einsicht in die Mechanismen der Translokation von Protonen über biologische Membranen zu erhalten. Die daraus resultierenden Erkenntnisse stellen sich als überaus relevant für ein mikroskopisches Verständnis der Grundlagen der Zellatmung dar.

Dr. Benjamin Fingerhut forscht seit 2014 am MBI. Er wird gegenwärtig durch das Emmy Noether Programm der DFG gefördert und hat am MBI die Nachwuchsgruppe Biomolekulare Dynamik etabliert. Die Gruppe verfolgt eine enge Kooperation mit am MBI durchgeführter, experimenteller Forschung, welche fortschrittlichste Methoden nichtlinearer Schwingungsspektroskopie mit Femtosekundenzeitauflösung anwendet, um die relevanten Wechselwirkungen biomolekularer Prozesse zu vermessen. Die Forschung der Nachwuchsgruppe umfasst die Entwicklung moderner spektroskopischer Simulationsmethoden zur Auflösung ultraschneller struktureller Dynamik in molekularen und biomolekularen Systemen. Die Gruppe kombiniert analytische und rechnergestützte Methoden zur Entwicklung neuartiger Simulationsprotokolle, welche geeignet sind nicht-adiabatische Dynamik zu erforschen.

Weitere Informationen zu Dr. Benjamin Fingerhut stehen unter http://staff.mbi-berlin.de/fingerhu/ zur Verfügung, zum ERC Grant unter https://erc.europa.eu/.

Kontakt:
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Theorie Department T4: Biomolekulare Dynamik
Dr. Benjamin P. Fingerhut
Tel. 030 / 6392-1404


 
     
 


Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

13. Juli 2018

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung. Sie kommen in verschiedenen Varianten vor. Ferrimagnete bilden die größte Klasse von Magneten und bestehen aus zwei Arten von Atomen. Ähnlich einer Kompassnadel besitzt jedes Atom ein kleines magnetisches Moment, auch Spin genannt, welches von den Elektronen des Atoms erzeugt wird. Bei einem Ferrimagneten zeigen die magnetischen Momente der beiden Atome in entgegengesetzte Richtungen (siehe Abbildung A). Die Gesamtmagnetisierung ist somit die Summe aller magnetischen Momente von Typ 1 (M1, blaue Pfeile) und Typ 2 (M2, grüne Pfeile). Aufgrund der entgegengesetzten Richtung ist die Größe der Gesamtmagnetisierung durch die Differenz M1,-M2 gegeben.

Wird ein nicht leitender Ferrimagnet erwärmt, erreicht die Wärme zunächst das Atomgitter, wodurch sich die Atome zufällig um ihre Ruhelage bewegen. Schließlich verursacht ein Teil der Wärme auch eine zufällige Rotation (Präzession) der Spins um ihre ursprüngliche, kalte Richtung. Dadurch geht die magnetische Ordnung verloren. Die Gesamtmagnetisierung M1,-M2 nimmt ab und verschwindet schließlich, wenn die Temperatur des Ferrimagneten eine kritische Temperatur, die sogenannte Curie-Temperatur, überschreitet. Obwohl dieser Prozess von grundlegender Bedeutung ist, ist seine Dynamik noch nicht gut verstanden. Selbst für den Ferrimagneten Yttrium-Eisen-Granat (YIG), einen der am intensivsten erforschten Ferrimagnete, ist nicht bekannt, wie lange es dauert, bis das erwärmte Atomgitter und die kalten magnetischen Spins miteinander ins Gleichgewicht kommen. Bisherige Schätzungen dieser Zeitskala unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu einer Million.

Ein Team von Wissenschaftlern aus Berlin (Collaborative Research Center / Transregio 227 Ultrafast Spin Dynamics, Fritz-Haber-Institut und Max-Born-Institut), Dresden (Helmholtz-Zentrum), Uppsala (Schweden), St. Petersburg (Russland) und Sendai (Japan) hat nun die elementaren Schritte dieses Prozesses aufgedeckt. "Um das Atomgitter eines YIG-Films augenblicklich und ausschließlich zu erwärmen, verwenden wir eine sehr spezifische und neuartige Art von Anregung: ultrakurze Laserlichtblitze bei Terahertz-Frequenzen. Mit einem nachträglich eintreffenden sichtbaren Laserimpuls können wir dann Schritt für Schritt die Entwicklung der zunächst kalten magnetischen Spins nachvollziehen. Im Wesentlichen nehmen wir einen Stop-Motion-Film über die Entwicklung der Magnetisierung auf", sagt Sebastian Maehrlein, der die Experimente durchführte. Sein Kollege Ilie Radu fasst zusammen: "Unsere Beobachtungen sprechen eine klare Sprache. Wir fanden heraus, dass eine plötzliche Erwärmung des Atomgitters die magnetische Ordnung des Ferrimagneten auf zwei verschiedenen Zeitskalen reduziert: eine unglaublich schnelle Skala von nur 1 ps und eine 100.000-mal langsamere Skala von 100 ns."

Diese beiden Zeitskalen können analog zu Wasser in einem geschlossenen Topf, der in einen heißen Ofen gestellt wird, verstanden werden. Die heiße Luft des Ofens entspricht dem heißen Atomgitter, während die magnetischen Spins dem Wasser im Topf entsprechen (siehe Abbidung A). Wird das Atomgitter durch den Terahertz-Laserblitz erwärmt, führen die verstärkten zufälligen Schwingungen der Atome zu einer Übertragung der magnetischen Ordnung von Spintyp 1 auf Spintyp 2. Daher werden die beiden magnetischen Momente M1 (blaue Pfeile in Abbildung B) und M2 (grüne Pfeile) um genau den gleichen Betrag reduziert (rote Pfeile). Dieser Prozess entwickelt sich auf der schnellen Zeitskala, und die atomaren Spins sind gezwungen, sich bei konstanter Gesamtmagnetisierung M1,-M2 aufzuheizen, genau wie Wasser in einem geschlossenen Topf, das sein Volumen halten muss.

Der aufgeheizte Ferrimagnet möchte aber nicht nur M1 und M2, sondern auch seine Gesamtmagnetisierung M1,-M2 verkleinern. Dazu muss ein Teil des Spins an das Atomgitter abgegeben werden. Diese Situation ist wiederum völlig analog zum heißen Wasser in einem geschlossenen Topf: Der Druck im Topf steigt an, wird aber durch kleine Lecks im Deckel langsam nach außen abgegeben (siehe Abbildung C). Diese Übertragung von Drehimpuls an das Atomgitter ist genau das, was im Ferrimagneten durch schwache Kopplungen zwischen den Spins und dem Gitter passiert.

"Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen", sagt Ilie Radu. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser "Spinüberdruck" wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. "Unsere Ergebnisse sind auch für Anwendungen in der Datenspeicherung relevant", ergänzt Sebastian Maehrlein. "Der Grund ist einfach. Wann immer wir den Wert eines Bits in einem magnetischen Speichermedium zwischen 0 und 1 umschalten wollen, müssen letztlich Drehimpuls und Energie zwischen Atomgitter und Spins übertragen werden."

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1:Heizen eines Magneten, ohne seine Magnetisierung zu ändern. (A) Ein Ferrimagnet besteht aus zwei Spinsorten mit entgegengesetztem magnetischem Moment (grüne und blaue Pfeile). Im Experiment wird das Atomgitter des Ferrimagneten durch einen extrem kurzen Terahertz-Lichtblitz aufgeheizt. Die Situation ist analog zum Erhitzen von Luft (=Atomgitter) in einem Ofen, der einen Topf mit Wasser (=Spins) enthält. (B) Wärme wird in die Spins übertragen und erniedrigt die Magnetisierung jeder Spinsorte um genau denselben Betrag. Dieser Prozess läuft ab, indem Spin (rote Pfeile) von der blauen in die grüne Spinsorte übertragen wird. Folglich heizt sich der Magnet auf, ohne seine Gesamtmagnetisierung zu ändern! In der Topf-Analogie wird die Wärme der Ofenluft ins Wasser innerhalb des Topfes übertragen. Die Wassermenge im Topf hat sich dabei nicht geändert; jedoch hat sich ein Überdruck aufgebaut. (C) Der Spin-Überdruck führt schließllich zur Übertragung von Spin-Drehimpuls ins Atomgitter. Dabei verkleinert sich die Magnetisierung des Ferrimagneten. In der Topf-Analogie baut sich der Wasser-Überdruck durch kleine Lecks im Topfdeckel ab. (Bild: FHI)


Originalpublikation:
S. F. Maehrlein, I. Radu, P. Maldonado, A. Paarmann, M. Gensch, A. M. Kalashnikova, R. V. Pisarev, M. Wolf, P. M. Oppeneer, J. Barker, T. Kampfrath
Dissecting spin-phonon equilibration in ferrimagnetic insulators by ultrafast lattice excitation.

Sci. Adv. 4, eaar5164 (2018).

Weitere Informationen:
Dr. Ilie Radu, Tel.: 030 6392 1357

 
     
 


Dr. Federico Furch zum OSA-Botschafter 2018 ernannt

21 Juni 2018

Im Oktober 2017 gab die Optical Society of America (OSA) bekannt, wer im Jahrgang 2018 zu den OSA-Botschaftern zählen wird. Zu den Mitgliedern dieses Jahrgangs zählt der MBI-Forscher Dr. Federico Furch, der in den letzten Jahren insbesondere für die Entwicklung eines hochmodernen 100 kHz OPCPA-Laser-Systems verantwortlich war, das gegenwärtig in Attosekundenexperimenten Anwendung findet. (see Highlight link MBI website).

Furch Osa Ambassador (Klick für vergrößerte Ansicht) Quelle: MBI

"Einige der OSA-Botschafter in der OSA-Geschäftsstelle in Washington anläßlich des "Spring leadership meeting". (Dr. Federico Furch, zweiter von links)

Wie vom Präsidenten der OSA-Stiftung Chad Stark in einer Pressemitteilung beschrieben, sind OSA-Botschafter für die Unterstützung der verschiedenen OSA Studierendengruppen, studentischen Mitglieder und andere wissenschaftliche Nachwuchskräfte zuständig. Indem sie ihre Erfahrungen und ihr Wissen teilen, werden die Botschafter zu einem wichtigen Bestandteil der OSA-Initiative für die Ausbildung von Nachwuchskräften.

Im April 2018 nahmen alle OSA-Botschafter an einem Führungskräfteseminar am Hauptsitz der OSA in Washington teil. Darüber hinaus werden sie im September erneut in Washington zu einem studentischen Führungsmeeting erwartet. In Ausübung seiner Botschafterrolle hat sich Federico bereits mit den Studierendengruppen in Berlin, Potsdam sowie in Argentinien und Chile befasst. Anfang Juni war er in der Ukraine, im August wird er Argentinien und Chile, im Oktober Indien besuchen. Dabei wird er nicht nur die OSA, sondern natürlich auch das Max-Born-Institut repräsentieren.

Kürzlich unterstützte Federico die Studierendengruppe "BerlinOptik" und Dr. Aline Dinkelaker, OSA-Botschafterin von 2016, bei der Organisation der Karrieremesse "Working in Photonics in Berlin", auf der das MBI durch Prof. Marc Vrakking vertreten wurde. Prof. Vrakking organisierte auch eine Netzwerkveranstaltung für MBI-Studierende, die sich mit Mitgliedern der "BerlinOptik"-Gruppe und mit der OSA-Studierendengruppe der Universität Potsdam austauschen konnten.

Seine OSA bezogenen Tätigkeiten werden Federico noch das ganze Jahr begleiten; MBI- Studierende, die mehr über die OSA und die Arbeit der OSA-Studierenden wissen möchten, können gerne Kontakt zu ihm aufnehmen.

Weitere Informationen unter:
"The Optical Society Announces 2018 Ambassadors"
"2018 Ambassadors"

Kontakt:

Dr. Federico Furch, Tel.: 030 6392 1277

 

 

 
     
 


"Bilder von atomaren Wasserstofforbitalen in NOVA/PBS Doku"

14. Juni 2018

Bilder von atomaren Wasserstofforbitalen, die auf Untersuchungen von MBI Forschern basieren, wurden nun in einem neuen Dokumentarfilm der NOVA/PBS Reihe verwendet (Link). Im Video wird erklärt, wie die zweidimensionale Wellenfunktion eines Wasserstoffatoms visualisiert werden kann: mit Hilfe eines zweidimensionalen Detektors werden eine große Anzahl ionisierter Elektronen eines nach dem anderen aufgezeichnet und zu einem Bild zusammengefügt. Die Ergebnisse wurden bereits 2013 in Physical Review Letters veröffentlicht (Highlight Link). und von "physicsworld.com" zu den "Top 10 breakthroughs" in 2013 gewählt. (Highlight Link).

Link zum YouTube-Video: "What does an atom actually look like"
Quelle: Greg Kestin PhD, Digital Producer, NOVA/ PBS, Preceptor, Harvard University Physics Department

Link zur Originalpublikation in Physical Review Letters 2013: "Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States"

Link zur Pressemitteilung aus 2013: "Wasserstoffatome unter der Lupe"

Link zur Pressmitteilung zu "Top 10 Breakthrough 2013": "Internationales Forscherteam des MBI & AMOLF in den "top 10 breakthroughs" in "physicsworld.com" 2013"

Kontakt:

Prof. Marc J. Vrakking, Tel.: 030 6392 1200

 

 

 
     
 


Dr. Daniela Rupp wird den Karl-Scheel Preis 2018 erhalten

13. Juni 2018

Wie die Physikalische Gesellschaft zu Berlin bekannt gab, wird Frau Dr. Daniela Rupp, Nachwuchsgruppenleiterin am Max-Born-Institut, mit dem Karl-Scheel Preis geehrt werden. Wir freuen uns und gratulieren ihr ganz herzlich zu dieser Auszeichnung.

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Dr. Daniela Rupp, Nachwuchsgruppenleiterin am Max-Born-Institut, Berlin

Die Preisverleihung findet am Freitag, 22. Juni 2018 um 17:00 Uhr im Magnus-Haus in Berlin Mitte statt, wo Frau Dr. Rupp zuvor einen Vortrag über ihre Forschungsergebnisse hält.

Weitere Informationen: Der Karl-Scheel-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin

Kontakt:

Dr. Daniela Rupp, Tel.: 030 6392 1280

 

 

 
     
 


Röntgenholografie zeigt einen Nano-Flickenteppich während des Phasenüberganges in Vanadiumdioxid

31. Mai 2018

Die Rolle elektronischer Korrelation beim Isolator-Metall Phasenübergang in dem prototypischen Material VO2 wurde in Fachkreisen lang debattiert. Durch Kombination von Röntgenholografie mit spektroskopischer Information konnte ein internationales Forscherteam nun direkt beobachten, wie kleine Flecken unterschiedlicher Phasen während des Isolator-Metall Überganges auf Nanometerskala koexistieren.

Das Wechselspiel zwischen den positiv geladenen Atomkernen und den dazwischenliegenden negativen Elektronenwolken, die diese wie Klebstoff zusammenhalten, bestimmt die Eigenschaften aller Materialien unserer Welt. Besonders interessant ist es, dieses Wechselspiel bei Phasenübergängen eines Materials zu verstehen. So ist zum Beispiel der Festkörper Vanadiumdioxid (VO2) bei tiefen Temperaturen elektrisch isolierend, wird aber ab ca. 65°C durch einen Phasenübergang metallisch leitend. Die veränderten elektronischen Eigenschaften (isolierend vs. metallisch) gehen einher mit winzigen Verschiebungen der Atome, die eine Änderung der Kristallstruktur von einer monoklinen (M1) zu einer sog. Rutil (R) Struktur darstellen (Siehe Abb. 1). Die treibenden Kräfte für diesen Phasenübergang sind seit langer Zeit Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen; speziell wird über die Bedeutung der Wechselwirkung der Elektronen untereinander - die sogenannten elektronischen Korrelationen - diskutiert. So wurde berichtet, dass dünne Schichten aus VO2 bereits metallisch werden, noch bevor die Temperatur erreicht ist, bei der sich die Atompositionen verändern.

Ein Team von Wissenschaftlern des Max-Born-Institutes und der Technischen Universität in Berlin, den Instituten ICFO und ALBA in Spanien sowie der Vanderbildt Universität in den USA hat nun diesen Phasenübergang in VO2 mittels spektroskopischer Röntgenholografie untersucht. Diese Methode ermöglicht es, die elektronischen Eigenschaften mit einer Ortsauflösung von 40 nm abzubilden und dadurch die Rolle von räumlicher Inhomogenität im Mechanismus des Phasenübergangs aufzuklären. Die Wissenschaftler beschreiben in der Fachzeitschrift Nano Letters, wie Defekte im VO2 lokal den Ablauf des Phasenüberganges verändern. Aus Serien von Röntgenholografiebildern beim Heizen durch den Phasenübergang, wie in Abb.2, ergibt sich folgendes Szenario:

Mit steigender Temperatur beginnt das Wachstum kleiner metallischer "Flecken" in der R-Struktur an Defekten im Material, da hier die für den Übergang der Atome von der M1-Struktur in die R-Struktur benötigte Energie durch die "fehlplazierten Atome" des Defekts herabgesetzt ist. Die mit dem Übergang kleiner Bereiche von M1- zu R-Struktur verbundene Volumenänderung sorgt im Umfeld dieser Bereiche für Spannung im Kristallgitter. Diese Spannung führt dazu, dass sich kleine Bereiche des VO2 von der M1 Struktur in eine andere monokline Struktur M2 umwandeln, in der das Material ebenfalls ein Isolator ist. Es entsteht daher ein Flickenteppich verschiedenen Phasen auf der Nanometerskala, wie etwa das Streifenmuster bei 335°K (62°C) in Abb. 2. Bei höheren Temperaturen wandeln sich die isolierenden M2 Phasen in die metallische R Phase um - genauso wie es viele der M1 Bereiche auf direktem Wege ohne den Umweg über die M2 Phase tun. Der genaue Ablauf des Phasenüberganges variiert also räumlich in den dünnen VO2 Schichten. Für diese Inhomogenität auf der Nanometerskala waren Forscher zuvor blind; Mittelung über diesen Nano-Flickenteppich kann dann zu falschen Schlüssen führen. So zeigen die neuen Experimente im Gegensatz zu früheren Arbeiten nicht, dass eine monokline metallische Phase existiert oder dass sich elektronische Korrelationen bereits vor dem Phasenübergang ändern. Die Resultate demonstrieren, wie wichtig es für das Studium von Phasenübergängen in komplexen Materialien ist, räumliche und spektroskopische Informationen zu kombinieren. Da Röntgenholografie zudem die Möglichkeit bietet, ultraschnelle Prozesse abzubilden, legen diese Arbeiten einen wichtigen Grundstein für zukünftige Untersuchungen der Dynamik von laserinduzierten Phasenübergängen in komplexen Materialien.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Kristallstrukturen für die isolierenden monoklinen Phasen M1 und M2 sowie für metallisches VO2 in Rutil (R) Struktur. Sehr kleine Änderungen der Atompositionen haben einen großen Effekt auf die Materialeigenschaften. Vanadiumatome sind orange dargestellt, Sauerstoffarme blau; Verbindungslinien dienen nur der Orientierung.

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Abb. 2 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 2: Abbildungen der resultierenden Phasenseparation, wenn eine 75 nm dünne VO2 Schicht erwärmt wird. Die Bilder wurden mittels spektroskopischer Röntgenholografie aufgenommen und sind in Falschfarben dargestellt, um die verschiedenen Regionen sichtbar zu machen: rot = Defektregion, schwarz = M1 Phase, blau = M2 Phase, grün = R Phase. Es zeigt sich, dass manche Regionen sich direkt von der M1 in die R Phase umwandeln (z.B. beim roten Kreuz), während andere den Zwischenschritt über die M2 Phase nehmen (z.B. bei der blauen Raute).

Originalpublikation:
Luciana Vidas, Christian M. Günther, Timothy A. Miller, Bastian Pfau, Daniel Perez-Salinas, Elías Martínez, Michael Schneider, Erik Gührs, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Robert E. Marvel, Kent A. Hallman, Richard F. Haglund, Jr., Stefan Eisebitt, and Simon Wall
Imaging Nanometer Phase Coexistence at Defects During the Insulator-Metal Phase Transformation in VO2 Thin Films by Resonant Soft X-ray Holography

Nano Letters, Article ASAP, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00458.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Stefan Eisebitt, Tel.: 030 6392 1300
Dr. Bastian Pfau , Tel.: 030 6392 1343

 
     
 


Lasergetriebene Elektronenrekollision erinnert sich an die Molekülorbitalstruktur


4. Mai 2018

Wissenschaftler vom Max-Born-Institut in Berlin haben durch eine Kombination modernster Experimente und numerischer Simulationen eine grundlegende Annahme der Starkfeld-Physik untersucht. Ihre Ergebnisse verfeinern unser Verständnis von starkfeldgetriebenen Prozessen, wie der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) und der laserinduzierten Elektronendiffraktion (LIED). Die Forschungsergebnisse sind in "Science Advances" erschienen.

Starke Laserpulse im Infrarotbereich können ein Elektron aus einem Molekül herauslösen (Ionisierung), es dann in den freien Raum hinausbeschleunigen und seine Bewegungsrichtung umkehren (Propagation) und es schließlich wieder mit dem Molekül zur Kollision bringen (Rekollision). Diese Prozesse bilden das sogenannte Dreischrittmodell, das innerhalb der Starkfeld- und Attosekunden-Physik breite Anwendung findet. Bei der Rekombination kann das Elektron dann z.B. mit seinem Mutterion rekombinieren, was zur Erzeugung hoher Harmonischer führt, oder elastisch an ihm streuen, wie bei der laserinduzierten Elektronendiffraktion.

Eine häufig gebrauchte grundlegende Annahme in der Attosekunden-Physik ist, dass die ursprüngliche Struktur des ionisierten Elektrons im Propagationsschritt "ausgewaschen" wird, das Elektron also die Information über das Orbital, aus dem es stammt, verliert. Bis jetzt wartete diese Annahme in Molekülen noch auf ihre Überprüfung.

Eine kombinierte experimentelle und theoretische Studie am Max-Born-Institut hat nun die starkfeldgetriebene Elektronenrekollision im Molekül 1,3-trans-Butadien untersucht. Bei diesem Molekül führt die Wechselwirkung mit dem Laserfeld vor allem zur Ionisierung der beiden am schwächsten gebundenen Elektronen, die sehr unterschiedliche Dichten aufweisen (siehe Abbildung 1). Die anspruchsvollen Experimente und Simulationen ermöglichten es den Wissenschaftlern, für beide zurückkehrenden Elektronen getrennt die Rückstreuwahrscheinlichkeit in große Streuwinkel zu bestimmen. Sowohl im Experiment als auch in den Simulationen unterschied sich diese Wahrscheinlichkeit deutlich zwischen den beiden Elektronen. Diese Befunde zeigen klar, dass die zurückkehrenden Elektronen strukturelle Informationen über ihren Ausgangszustand enthalten.

Schell Electron
Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb1: Freigesetzte Elektronenwellenpakete kurz nach der Starkfeldionisierung von Elektron 1 und 2 in 1,3-trans-Butadien. | Abb. MBI

Originalpublikation:
"Molecular orbital imprint in laser-driven electron recollision"
Felix Schell, Timm Bredtmann, Claus Peter Schulz, Serguei Patchkovskii, Marc J. J. Vrakking and Jochen Mikosch
Science Advances, Vol. 4, no. 5, eaap8148 (2018), DOI: 10.1126/sciadv.aap8148

Kontakt:
Dr. Jochen Mikosch, Tel. 030 / 6392 1295
Dr. Timm Bredtmann, Tel. 030 / 6392 1251

 
     
 


Freigesetzt lassen sich Elektronen besser fangen


16. April 2018

Forscher der UNIGE und des MBI in Berlin haben erstmalig ein Elektron in einen Doppelzustand versetzt, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist. Damit bestätigen sie eine Hypothese aus den 1970er Jahren.
Atome bestehen aus einem Atomkern sowie Elektronen, die an diesen gebunden sind und ihn umkreisen. Die Elektronen lassen sich auch aus ihrem Atom herauslösen, etwa durch das starke elektrische Feld eines Lasers, der die anziehende Kraft des Atomkerns überwindet. Vor einem halben Jahrhundert schon fragte sich der Theoretiker Walter Henneberg, ob es möglich sei, mit einem Laserpuls Elektronen so aus einem Atom freizusetzen, dass sie trotzdem noch in der Nähe ihres Atomkerns bleiben. Viele Wissenschaftler hielten dies für unmöglich. Kürzlich jedoch gelang es Physikern von der Universität Genf (UNIGE) in der Schweiz sowie vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin, diese Hypothese zu bestätigen. Zum ersten Mal schafften sie es, die Form des Laserpulses zu gut zu kontrollieren, dass ein damit bestrahltes Elektron frei wurde und zugleich an den Atomkern gebunden blieb. Die Forscher konnten außerdem die Elektronenstruktur des Atoms mit ihrem Laserstrahl gezielt beeinflussen. Darüber hinaus gelang es ihnen sogar, diese ungewöhnlichen Zustände zu nutzen, um Laserlicht zu verstärken. Die Wissenschaftler konnten aber auch eine "verbotene Zone" ausmachen. In diesem "Death Valley" ("Tal des Todes") genannten Bereich verloren sie jede Kontrolle über das Elektron. Diese Ergebnisse, die nun im Fachblatt "Nature Physics" erschienen sind, erschüttern die bisherigen Vorstellungen von Ionisationsprozessen von Materie.

Schon seit den 1980er Jahren wurden viele Experimente durchgeführt, um die Hypothese des Theoretikers Walter Henneberg zu bestätigen: Ein Elektron kann in einen Doppelzustand versetzt werden, in dem es weder völlig frei, noch fest an seinen Atomkern gebunden ist. Gefangen im Laserstrahl, würde das Elektron dazu gezwungen sein, sich abwechselnd in Richtung Atomkern und wieder von ihm weg zu bewegen. Auf diese Weise würde es sowohl das elektrische Feld des Lasers als auch das des Atomkerns spüren. Bei einem solchen Doppelzustand sollte es möglich sein, die Bewegung des Elektrons im Wechselspiel dieser beiden elektrischen Felder zu kontrollieren und damit Atome mit neuartiger Elektronenstruktur zu erzeugen, die sich mit Hilfe des Laserlichts einstellen lässt. Doch ist das wirklich machbar?

Die natürlichen Schwingungen des Elektrons ausnutzen
Je stärker ein Laserstrahl ist, desto einfacher sollte es sein, damit Atome zu ionisieren - mit anderen Worten, ihnen mindestens ein Elektron aus dem anziehenden elektrischen Feld des Atomkerns zu entreißen und in die Umgebung freizusetzen. "Aber sobald die Elektronen frei sind, verlassen sie ihre Atome nicht einfach so wie ein Zug den Bahnhof, sie spüren immer noch das elektrische Feld des Lasers", erklärt Jean-Pierre Wolf, Professor am Institut für Angewandte Physik an der Universität Genf. "Deshalb wollten wir wissen, ob es möglich wäre, die Elektronen nach ihrer Freisetzung im Laserstrahl gefangen zu halten und sie dazu zu bringen, sich weiterhin in der Nähe ihres Atomkerns aufzuhalten, so wie Walter Henneberg es vorgeschlagen hatte", fügt er hinzu.

Die einzige Möglichkeit hierzu besteht darin, die passende Form für den eingesetzten Laserpuls zu finden, der das Elektron zu absolut identischen Schwingungen in Richtung Atomkern und wieder von ihm weg zwingt. Dadurch bleiben seine Energie und sein Zustand stabil. "Das Elektron oszilliert natürlicherweise im Laserfeld, aber wenn die Stärke des Laserfelds sich ändert, verändert sich auch die Oszillation des Elektrons. Und das bringt das Elektron dazu, auch sein Energieniveau und damit seinen Zustand ständig zu wechseln und eventuell auch das Atom gänzlich zu verlassen. Das macht die Beobachtung solcher ungewöhnlichen Zustände so schwierig", ergänzt Misha Ivanov, Professor für Theoretische Physik am MBI Berlin.

"Tal des Todes" mit passender Laserintensität umgehen
Die Physiker probierten verschiedene Laserintensitäten aus, um die freigesetzten Elektronen zu regelmäßigen Oszillationen anzuregen. Dabei machten sie eine überraschende Entdeckung: "Entgegen der natürlichen Erwartungen - dass ein Laser ein Elektron umso eher freisetzen sollte, je stärker er ist - stellten wir fest, dass es eine bestimmte Grenze für die Intensität gibt, ab der wir ein Atom nicht mehr ionisieren können", bemerkt Misha Ivanov. "Oberhalb dieser Grenze können wir das Elektron wieder kontrollieren." Die Forscher tauften diese Grenze "Death Valley" nach dem Vorschlag von Professor Joe Eberly von der University of Rochester.

Bestätigung der alten Hypothese könnte Laser-Theorie revolutionieren
Indem sie das Elektron in einen solchen Doppelzustand versetzten, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist, konnten die Forscher dessen Schwingungen nach Wunsch kontrollieren. Das ermöglicht es auch, die Elektronenstruktur des Atoms gezielt zu beeinflussen. Nach einigen Justierungen gelang es den Physikern von UNIGE und MBI dann zum ersten Mal, ein Elektron aus einem Atomkern zu befreien und zugleich in dessen Nähe in einem Laserfeld festzusetzen, so wie Walter Henneberg vorgeschlagen hatte. "Wir haben ein Laserfeld mit einer Intensität von 100 Billionen Watt pro Quadratzentimeter erzeugt und konnten so das "Tal des Todes" überwinden und die Elektronen in der Nähe ihres Atomkerns festhalten, und zwar über ein Periode normaler Oszillationen im elektrischen Feld des Lasers", sagt Jean-Pierre Wolf enthusiastisch. Zum Vergleich: Die Intensität der Sonnenstrahlen auf der Erde liegt bei nur rund 100 Watt pro Quadratmeter.

"Das gibt uns die Möglichkeit, durch die Bestrahlung mit passendem Laserlicht neuartige Atomzustände zu erzeugen, deren Elektronen ganz neue Energieniveaus aufweisen", erklärt Jean-Pierre Wolf. "Früher hielt man es für unmöglich, solche Doppelzustände zu erzeugen, und jetzt haben wir das Gegenteil bewiesen. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass Elektronen in solchen Zuständen Licht verstärken können. Das wird eine fundamentale Rolle bei neuen Theorien und Vorhersagen spielen, die die Ausbreitung starker Laserstrahlen in Gasen beschreiben, etwa in Luft", schließt Wolf.

NautePhotonics
Abb.

Schematische Darstellung des Kramers-Henneberger-Potenzials, das die Mischung aus Atompotenzial und starkem Laserfeld zeigt. Quelle: UNIGE - Xavier Ravinet

Originalpublikation:
"Amplification of intense light fields by nearly free electrons"
Mary Matthews, Felipe Morales, Alexander Patas, Albrecht Lindinger, Julien Gateau, Nicolas Berti, Sylvain Hermelin, Jérôme Kasparian, Maria Richter, Timm Bredtmann, Olga Smirnova, Jean-Pierre Wolf and Misha Ivanov
Nature Physics (2018), DOI:10.1038/s41567-018-0105-0

Kontakt:
Prof. Dr. Misha Ivanov, Tel. 030 / 6392 1210

 
     
 


Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall


16. April 2018

Dank der geschickten Kombination neuartiger Technologien lassen sich vielversprechende Materialien für die Elektronik von morgen untersuchen.
In den letzten Jahrzehnten sind Computer immer schneller geworden und zugleich haben Festplatten und Speicherchips riesige Kapazitäten erreicht. Die Entwicklung kann aber nicht immer so weiter gehen: Schon heute zeichnen sich physikalische Grenzen ab, die eine weitere drastische Beschleunigung der auf Silizium basierenden Computertechnik unmöglich machen. Bei der Suche nach neuartigen Materialien und Technologien für die Informationsverarbeitung versprechen sich Forscher insbesondere von der Kombination elektrischer und optischer Schaltkreise ganz neue Impulse. Mit Hilfe kurzer Laserpulse ist es nun einem Forscherteam um Misha Ivanov vom Max-Born-Institut in Berlin gemeinsam mit Wissenschaftlern des Russian Quantum Center bei Moskau gelungen, Licht auf die extrem schnellen Prozesse in solchen neuartigen Materialien zu werfen. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachblatt "Nature Photonics" erschienen.

Von besonderem Interesse für die moderne Materialforschung in der Festkörperphysik sind sogenannte "stark korrelierte Systeme", bei denen sich die Elektronen im Material gegenseitig beeinflussen. Ein Beispiel hierfür sind Magnete: Hier richten sich die Elektronen im Material in einer bevorzugten Drehrichtung aus und erzeugen dadurch ein Magnetfeld. Es sind aber auch ganz andere Ordnungsstrukturen denkbar. Bei sogenannten Mott-Isolatoren, die derzeit intensiv erforscht werden, sollten die Elektronen eigentlich frei fließen können und das Material elektrisch leitend sein wie ein Metall. Aufgrund der gegenseitigen Wechselwirkungen in diesem stark korrelierten Material behindern sie sich aber gegenseitig und das Material wird zum Isolator.

Wenn man diese Ordnung durch einen starken Laserpuls stört, ändern sich auch die physikalischen Eigenschaften dramatisch. Man kennt dies vom Übergang von fest zu flüssig: Wenn Eis schmilzt, verwandelt sich der starre Eiskristall in frei bewegliche Wassermoleküle. Ganz ähnlich gewinnen auch die Elektronen in stark korrelierten Materialien Beweglichkeit, wenn ihre Ordnung durch externe Laserpulse einen Phasenübergang erfährt. Deshalb eröffnen solche Phasenübergänge die Möglichkeit, ganz neue Schaltelemente für die moderne Elektronik zu entwickeln, die schneller und vermutlich energieeffizienter als heutige Transistoren sind. Im Prinzip könnten Computer dank der Kombination von elektrischen Komponenten mit Lichtpulsen rund 1000-fach schneller werden.

Das Problem bei der Analyse solcher Phasenübergänge: Sie finden extrem schnell statt und lassen sich deshalb nur schwer untersuchen. Bislang konnten Wissenschaftler nur den Zustand des Materials vor und nach einem solchen Phasenübergang bestimmen. Die Forscher Rui E.F. Silva, Olga Smirnova und Misha Ivanov vom Max-Born-Institut haben nun aber eine Methode ersonnen, im wahrsten Sinne des Wortes Licht auf diese Prozesse zu werfen: Laut ihrer Theorie kann man diese Materialien mit extrem kurzen, maßgeschneiderten Laserpulsen bestrahlen, die in dieser Qualität erst jetzt verfügbar sind. Damit lässt sich als Reaktion des Materials auf diese Pulse beobachten, wie die Elektronen im Material zu Bewegungen angeregt werden und dabei wie eine Glocke Oberschwingungen mit bestimmten Frequenzen aussenden, als Harmonische des einfallenden Lichts.

"Wenn wir dieses hohe harmonische Spektrum analysieren, können wir erstmals die Änderung der Ordnungsstruktur in diesen stark korrelierten Materialien ,live' beobachten", sagt Erstautor Rui Silva. Erst seit Kurzem gibt es Laserquellen, die überhaupt in der Lage sind, diese Übergänge gezielt auszulösen. Dazu müssen die Laserpulse einerseits stark genug sein - und andererseits extrem kurz und im Femtosekundenbereich liegen (millionstel milliardstel Sekunden).

Teilweise reicht eine einzige Lichtschwingung, um die Ordnung der Elektronen im Material durcheinanderzuwirbeln und aus einem Isolator einen metallartigen Leiter zu machen. Die Wissenschaftler am Max-Born-Institut gehören auf diesem Gebiet ultrakurzer Laserpulse zu den führenden Experten weltweit.

"Wenn wir die Eigenschaften der Elektronen im Material mit Licht kontrollieren wollen, müssen wir genau verstehen, wie die Elektronen auf Lichtpulse reagieren", erklärt Ivanov. Dank der neuartigen Laserquellen, bei denen sich sogar einzelne Schwingungen des elektromagnetischen Feldes vollständig kontrollieren lassen, sind mit der nun publizierten Methode tiefe Einsichten in die Materialien der Zukunft möglich.

NautePhotonics
Abb. 1

Hochharmonische Spektroskopie des lichtinduzierten Phasenübergangs. Die vertikale rote Linie zeigt an, wenn das elektrische Feld des Lasers (gelbe Schwingkurve) das Schwellenfeld überschreitet und die Isolierphase des Materials zerstört. Die obere Platte zeigt die durchschnittliche Anzahl der Doppellochpaare pro Standort (blau) und den Zerfall des isolierenden feldfreien Grundzustandes (rot). (Quelle: MBI)

Originalpublikation:
"High harmonic spectroscopy of ultrafast many-body dynamics in strongly correlated systems"
R. E. F. Silva, Igor V. Blinov, Alexey N. Rubtsov, O. Smirnova and M. Ivanov
Nature Photonics (2018) (online), DOI: 10.1038/s41566-018-0129-0

Kontakt:
Prof. Dr. Misha Ivanov, Tel. 030 / 6392 1210
Prof. Dr. Olga Smirnova, Tel.: 030 6392 1340
Dr. R.E.F. Silva, Tel.: 030 6392 1239

 
     
 


Schwingende Atome schalten die elektrische Polarisation von Kristallen

12. April 2018

Ferroelektrische Kristalle besitzen eine makroskopische elektrische Polarisation, die durch die Überlagerung sehr vieler Dipole auf atomarer Skala hervorgerufen wird. Entscheidend ist dabei die räumliche Trennung von negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Atomkernen. Man erwartet eine Änderung der makroskopischen Polarisation, sobald die Atome in Bewegung versetzt werden, der Zusammenhang zwischen atomarer Bewegung und Polarisation ist jedoch unbekannt. Ein zeitaufgelöstes Röntgenexperiment zeigt jetzt, dass atomare Schwingungen mit einer winzigen Auslenkung Elektronen über eine 1000-fach größere Distanz zwischen Atomen verschieben und die makroskopische Polarisation auf einer Zeitskala von einem Millionstel einer Millionstel Sekunde umschalten.

Ferroelektrische Materialien sind von großer Bedeutung für Anwendungen in elektronischen Sensoren, Speichern und Schaltelementen. Für ihre Funktion ist eine kontrollierte und schnelle Veränderung der elektrischen Eigenschaften durch externe mechanische Kräfte oder elektrische Spannungen wichtig. Dies erfordert ein Verständnis des Zusammenhangs zwischen der atomaren Struktur und den makroskopischen elektrischen Eigenschaften, einschließlich der physikalischen Mechanismen, die eine schnellstmögliche Dynamik der makroskopischen Polarisation bestimmen.

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts in Berlin haben jetzt gezeigt, wie atomare Schwingungen die makroskopische elektrische Polarisation des prototypischen Ferroelektrikums Ammoniumsulfat [Abb. 1] auf der Zeitskala weniger Pikosekunden modulieren (1 Pikosekunde (ps) = 1 Millionstel einer Millionstel Sekunde). In der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Structural Dynamics [5, 024501 (2018)] berichten sie über ein Röntgenexperiment im Ultrakurzzeitbereich, das die quantitative Aufzeichnung von Ladungsbewegungen über Distanzen im Bereich von Atomdurchmessern erlaubt (10-10m = 100 Pikometer). In den Messungen versetzt ein ultrakurzer optischer Anregeimpuls Atome des Materials, eines aus kleinen Kristalliten bestehenden Pulvers, in Schwingung. Ein zeitlich verzögerter harter Röntgenimpuls wird an der angeregten Probe gebeugt um die momentane atomare Anordnung in Form eines Röntgenbeugungsmusters zu erfassen. Die Abfolge solcher Schnappschüsse ergibt einen Film der sog. Ladungsdichtekarte, aus der die räumliche Verteilung der Elektronen und die atomaren Bewegungen für jeden Zeitpunkt bestimmt werden. ([Abb. 2], [Movie]).

Die Elektronendichtekarten zeigen eine Elektronenbewegung über Längen von 100 Pikometern (pm), mehr als 1000-mal größer als die Auslenkungen der Atome [Abb. 3]. Dieses Verhalten bestimmt die momentanen lokalen Dipole auf atomarer Skala [Abb. 1]. Es wird durch das komplexe Zusammenwirken lokaler elektrischer Felder und polarisierbarer Elektronenwolken der Atome verursacht. Mit einem neuartigen theoretischen Formalismus lässt sich nun aus den zeitabhängigen Ladungsverteilungen in der atomaren Welt die elektrische Polarisation in der makroskopischen Welt bestimmen [Abb. 3]. Die makroskopische Polarisation wird durch die atomaren Schwingungen stark moduliert und kehrt im Takt mit den Schwingungen sogar ihr Vorzeichen um. Die Modulationsfrequenz von 300 GHz ist durch die atomare Schwingungsfrequenz bestimmt und entspricht einer Richtungsumkehr der Polarisation innerhalb von 1.5 ps, viel schneller als in derzeit existierenden ferroelektrischen Bauelementen. An der Oberfläche eines Kristallits treten dabei elektrische Felder von ungefähr 700 Millionen Volt pro Meter auf.

Diese Ergebnisse etablieren die zeitaufgelöste Ultrakurzzeit-Röntgenbeugung als neue Methode für die Verknüpfung atomarer Dynamik mit makroskopischen elektrischen Eigenschaften. Damit können quantentheoretische Vorhersagen elektrischer Eigenschaften überprüft und neue polare oder ionische Materialien im Hinblick auf ihre Eignung für Höchstfrequenzelektronik charakterisiert werden.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Oben: Kristallgitter des ferroelektrischen Ammoniumsulfats [(NH4)2SO4] mit verkippten Ammonium (NH4+) Tetraedern (Stickstoff: blau, Wasserstoff: weiss) und Sulfat (SO42-) Tetraedern (Schwefel: gelb, Sauerstoff: rot). Der grüne Pfeil zeigt die Richtung der makroskopischen Polarisation P. Blaue Pfeile: lokale Dipole zwischen Schwefel- und Sauerstoffatomen. Die Elektronendichte in der grau gezeigten Ebene ist unten links, in Abb. 2 und dem Film abgebildet. Unten links: Stationäre Elektronendichte von Schwefel und Sauerstoffatomen mit hohen Werten im Schwefelatom (rot) und kleineren Werten in den Sauerstoffatomen (gelb). Unten rechts: Änderung der lokalen Dipole bei einer Verzögerungszeit von 2.8 Pikosekunden (ps) nach Anregung der Ammoniumsulfat-Kristallite. Durch eine anisotrope Ladungsverschiebung nimmt der nach rechts zeigende Dipol ab und die anderen drei Dipole zu.

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Abb. 2 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 2: (a) Stationäre Elektronendichte in der grauen Ebene in Abb. 1. (b) Änderung der Elektronendichte bei einer Verzögerungszeit von 2.8 Pikosekunden (ps) nach Anregung der Ammoniumsulfat-Kristallite. Die Kreise markieren die Atompositionen, die schwarzen Pfeile kennzeichnen die Verschiebung elektronischer Ladung zwischen einem der Sauerstoffatome und der SO3-Einheit eines Sulfations über eine Länge von ca. 100 Pikometern (pm). Die Schwingungsauslenkungen der Atome sind kleiner als die Strichstärke der Kreise und deshalb nicht erkennbar. (c) Der Rücktransfer der Ladung geschieht bei einer Verzögerungszeit von 3.9 ps.
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Movie (Klick für vergrößerte Ansicht)
Movie: Der Film zeigt die gesamte zeitliche Entwicklung der Ladungsdichtekarte.
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Abb. 3 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 3: Oberes Teilbild: Änderung der S-O Bindungslänge als Funktion der Verzögerungszeit zwischen Anregungs- und Röntgenimpuls. Die maximale Änderung von 0.1 Pikometern (pm) ist 1000-mal kleiner als die Bindungslänge selbst. Mittleres Teilbild: Verschiebung elektronischer Ladung von einem der Sauerstoffatome auf die SO3-Einheit des Sulfations (linke Pfeile in Abb. 2) als Funktion der Verzögerungszeit. Unteres Teilbild: Änderung der makroskopischen Polarisation P entlang der c-Achse des Kristallits. Dies entspricht überwiegend der Summe der Änderungen aller lokalen S-O Dipole innerhalb der Sulfationen (rote und blaue Pfeile in Abb. 1 unten rechts).

Originalpublikation:
Christoph Hauf, Antonio-Andres Hernandez Salvador, Marcel Holtz, Michael Woerner, and Thomas Elsaesser, Soft-mode driven polarity reversal in ferroelectrics mapped by ultrafast x-ray diffraction, Struct. Dyn. 5, 024501 (2018).

Weitere Informationen:
Dr. Michael Wörner, Tel.: 030 6392 1470
Dr. Christoph Hauf, Tel.: 030 6392 1473
Prof. Dr. Thomas Elsaesser, Tel.: 030 6392 1400

 

 

 
     
 


Röntgenschnappschüsse von reagierenden Säuren und Basen - Erik T. J. Nibbering erhält "ERC Advanced Grant" für richtungsweisende Grundlagenforschung


09. April 2018

Dr. Erik T. J. Nibbering vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin erhält einen "Advanced Grant" des Europäischen Forschungsrats (ERC). Ziel des ausgezeichneten Projekts ist die Erforschung extrem schneller Prozesse, die den Protonenaustausch zwischen Säuren und Basen bestimmen. Der "ERC Advanced Grant" ist mit 2,5 Millionen Euro dotiert und wird an renommierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus ganz Europa für herausragende Forschungsvorhaben vergeben.

Erik T. J. Nibbering, Leiter der Abteilung Femtosekundenspektroskopie von molekularen Systemen am MBI, ist einer der international führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Erforschung ultraschneller chemischer Reaktionen. Hierzu zählen insbesondere der Protonentransfer zwischen Säuren und Basen, der Elektronentransfer in Donor-Akzeptor-Komplexen und Trans-/Cis-Isomerizationen. In den letzten Jahren hat er vor allem die Dynamik von Wasserstoffbrückenstrukturen zwischen Säuren und Basen und hydratisierten Protonen auf ultrakurzen Zeitskalen untersucht.

Wie Säuren und Basen in Wasser reagieren, ist eine Hauptfrage seit den Gründerjahren der modernen Chemie. In den letzten Jahrzehnten sind mikroskopische Mechanismen von Protonenaustausch zwischen Säuren und Basen - und insbesondere die bedeutende Rolle, die Wasser dabei spielt - intensiv erforscht worden. Die Ultrakurzzeitspektroskopie hat dabei gezeigt, dass die Elementarschritte von wässrigem Protonentransfer auf Zeitskalen von Femto- bis Pikosekunden stattfinden (1 Femtosekunde = 10-15 s = 1 Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Wässrige Säure-Base-Neutralisierung findet hauptsächlich schrittweise über Wasser statt, das sich zwischen Säuren und Basen aufhält. Die Ultrakurzzeitexperimente, die molekulare Übergänge von ultravioletten, sichtbaren und mittleren infraroten Spektralbereichen untersuchen, geben jedoch nur einen kleinen Einblick in die elektronischen Strukturen von Säuren, Basen und die Wassermoleküle, die Protonentransfer in kondensierter Phase ermöglichen. Mit sanfter Röntgenabsorptionspektroskopie (XAS) lässt sich hingegen die elektronische Struktur elementspezifisch bestimmen.

Ziel des aktuellen Forschungsvorhabens ist es, eine "steady-state" und zeitaufgelöste sanfte Röntgenspektroskopie von Säuren und Basen zu entwickeln. Dabei wird eine neuartige Flachstrahltechnologie mit unterschiedlichen Röntgenquellen eingesetzt, beispielsweise Synchrotrons oder "table-top" laserbasierte höhere Harmonische-Systeme. Die Erforschung der elektronischen Strukturdynamik der Elementarschritte des wässrigen Protonentransports wird zu einem besseren Verständnis der Rolle des Wassers in Lösungen beitragen - dies gilt auch für spezielle Fälle wie die Wasserstoff-Brennstoffzelle oder biologische Zellmembranproteine.

Weitere Informationen zu Erik T. J. Nibbering stehen unter http://staff.mbi-berlin.de/nibberin/ zur Verfügung, zum ERC Grant unter https://erc.europa.eu/.

Kontakt:
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Dr. Erik T. J. Nibbering
Tel. 030 / 6392-1477


 
     
 


Ein Kreisel aus Licht

27. Februar 2018

Kurze, rotierende Lichtpulse verraten viel über die innere Struktur von Materialien. Ein internationales Team von Physikern um Prof. Misha Ivanov vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) hat nun ein neues Verfahren entwickelt, um solche extrem kurzen Lichtpulse genau zu charakterisieren. Die Forschungsergebnisse sind in Nature Communications erschienen.

Licht ist nicht gleich Licht: Je nach Art der Präparation kann es in ganz verschiedener Weise vorliegen. Nicht nur seine Wellenlänge oder Farbe lässt sich wählen. Als elektromagnetische Welle kann Licht auch verschiedene Schwingungsarten aufweisen. So kann es etwa in unterschiedlicher Polarisation auftreten - entweder linear polarisiert mit geradliniger oder zirkular polarisiert mit kreisförmiger Schwingung der elektromagnetischen Felder. Vor allem extrem kurze Pulse zirkular polarisierter Lichtwellen eignen sich hervorragend, um ganz unterschiedliche Materialien zu untersuchen. Mit heutigen Methoden lassen sich solche Pulse zwar herstellen. Noch sind die Methoden aber an der Grenze des technisch Machbaren und die produzierten Lichtpulse zeigen nicht immer die erwünschten Eigenschaften.

Ein neues Verfahren ermöglicht es nun, solche Lichtpulse mit ungeahnter Präzision zu charakterisieren. Die besondere Schwierigkeit dabei: Die interessanten Prozesse in Materie, die man durch Bestrahlung mit Lichtpulsen untersuchen will, sind außerordentlich kurz. Dementsprechend kurz, im Bereich von rund 100 Attosekunden (milliardstel milliardstel Sekunden), müssen auch die Lichtpulse sein. In diesem winzigen Zeitraum vollführt eine Lichtwelle nur wenige Drehungen. Wenn man solche ultrakurzen Pulse mit neuartigen Laserverfahren herstellt, kann es schnell passieren, dass die Lichtwellen nicht richtig rotieren.

Die Idee hinter dem neuen Verfahren: Man bestrahlt ein Atom oder einen Körper mit einem extrem kurzen, hochenergetischen und zirkular polarisierten Lichtpuls, wobei dieser Puls absorbiert wird und ein Elektron aus dem Körper herausschlägt. Dieses Elektron trägt dann einerseits Informationen über die Lichtwelle in sich und kann andererseits Aufschluss über die Eigenschaften des untersuchten Körpers geben. Da die Lichtpulse zirkular polarisiert sind, vollführen auch die herausgeschlagenen Elektronen Drehungen.

"Man kann die herausgeschlagenen Elektronen mit einem einarmigen Sprinkler vergleichen, der sich entweder dreht wie gewünscht oder immer wieder ins Stottern kommt und sogar seine Drehrichtung ändert", sagt Misha Ivanov, Leiter der Theorie-Abteilung am Max-Born-Institut. Wenn der Sprinkler nun eine Weile läuft, macht er den Rasen um ihn kreisförmig nass - unabhängig davon, ob er gleichmäßig rotiert oder nicht. Um herauszufinden, ob sich der Sprinkler exakt in die gewünschte Richtung dreht, reicht es also nicht aus, einfach den Rasen zu betrachten. "Wenn aber zusätzlich ein böiger Wind weht, können wir unterscheiden, ob sich der Sprinkler gleichmäßig oder unregelmäßig dreht", so Ivanov. Wenn etwa jedes Mal abwechselnd ein Windstoß von links oder rechts erfolgt, wenn sich der Arm des Sprinklers links oder rechts befindet, dann wird der Rasen nicht kreisförmig nass, sondern eine diagonale Ellipse aufweisen. Ein völlig irregulär rotierender Sprinkler würde eine in die Windrichtung ausgerichtete Ellipse auf den Rasen zaubern, während ein regulär rotierender Sprinkler eine schiefe Ellipse zeigen würde.

Als "Wind" dient dabei ein Infrarot-Laserpuls, dessen Schwingungen genau mit den ultrakurzen Pulsen synchronisiert sind. Die Infrarot-Strahlung beschleunigt das Elektron entweder nach links oder rechts - genau wie der Wind die Wassertropfen.

"Mit einer Messung an den Elektronen können wir dann nachweisen, ob der Lichtpuls die gewünschte gleichmäßige Rotation besessen hat oder nicht", sagt Álvaro Jiménez-Galán, Wissenschaftler am Max-Born-Institut und Erstautor der Veröffentlichung in "Nature Communications". "Mit unserer Methode ist es möglich, die Eigenschaften der ultrakurzen Lichtpulse mit bislang nicht erreichter Präzision zu ermitteln", so Jiménez-Galán. Und wenn die Lichtpulse erst einmal scharf bestimmt sind, lässt sich umso genauer die Information des Elektrons über seinen Herkunftsort im Innern exotischer Materialien herauslesen.

Das ist insbesondere zur Untersuchung an einer ganzen Reihe neuartiger Materialien von Bedeutung. Dazu könnten einerseits Supraleiter zählen, die Strom ohne elektrischen Widerstand leiten können, und andererseits topologische Materialien, die exotische Eigenschaften aufweisen und für deren Erforschung der Physik-Nobelpreis 2016 vergeben wurde. Diese Materialien könnten in einem Quantencomputer zum Einsatz kommen oder besonders schnelle und energieeffiziente Prozessoren und Speicherchips in normalen Computern und Smartphones möglich machen.

Das neue Sprinkler-Verfahren existiert zwar vorerst noch nur in der Theorie, sollte sich aber schon in naher Zukunft umsetzen lassen. "Unsere Vorgaben entsprechen dem heutigen Stand der Technik, deshalb steht einer baldigen Realisierung im Labor nichts entgegen", meint Ivanov.

SmirnovaPanel

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1:

Ein in Ruhe arbeitender Sprinkler verteilt das Wasser gleichmäig im Kreis und das Gras wächst in einem kreisförmigen Muster - unabhängig davon, ob sich der Sprinkler im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn oder zufällig dreht. Wenn Wind weht, wird das Gras ungleichmäßig nass - dies zeigt sich auch in seinem Wachstum. Wenn der Wind seine Richtung aber synchron zur Drehung des Sprinklers wechselt, führt dies zu einer Asymmetrie im Graswachstum. Diese erlaubt es, die Dreheigenschaft des Sprinklers zu rekonstruieren - ob es sich also um einen präzisen, regelmäßig rotierenden Sprinkler handelt oder um ein billiges Exemplar, das zufällig rotiert.

In der Untersuchung ist der Sprinkler der kurze Puls (blau), der nur rund 10-16 Sekunden dauert und dessen elektrisches Feld sogar noch schneller rotiert. Als "Wind" dient ein linear polarisiertes und präzise kontrolliertes Infrarot-Laserfeld (rot). Das Gras ist die gemessene Photoelektronen-Winkelverteilung (grün). Die Asymmetrie im Letzteren erlaubt erstmalig, die Eigenschaften der ultrakurzen Pulse zu rekonstruieren. (Quelle: Felipe Morales und Álvaro Jiménez-Galán)

Originalpublikation:
Álvaro Jiménez-Galán, Gopal Dixit, Serguei Patchkovskii, Olga Smirnova, Felipe Morales & Misha Ivanov: Attosecond recorder of the polarization state of light
Nature Communicationsvolume 9, Article number: 850 (2018), doi:10.1038/s41467-018-03167-2

Kontakt

Prof. Dr. Misha Ivanov, Tel.: 030 6392 1340

Prof. Dr. Álvaro Jiménez-Galán, Tel.: 030 6392 1340

Prof. Dr. Olga Smirnova, Tel.: 030 6392 1340

 

 

 
     
 


Wenn Elektronen Walzer tanzen - Rechts- und linkshändige Moleküle lassen sich mit Hilfe kurzer Laserpulse auseinanderhalten

19. Februar 2018

Die Identifikation rechts- und linkshändiger Moleküle ist entscheidend für viele Anwendungen in der Chemie und Pharmazie. Ein internationales Forscherteam (CELIA-CNRS/INRS/Max-Born-Institut/SOLEIL) hat nun ein neues originelles und hochempfindliches Verfahren vorgestellt, mit dem sich die Händigkeit von Molekülen um ein Vielfaches besser bestimmen lässt als mit bisherigen Methoden. Mit Hilfe extrem kurzer Laserpulse bringen die Forscher Elektronen in Molekülen zum Schwingen und können so den Drehsinn der Moleküle bestimmen. Die Forschungsergebnisse sind in "Nature Physics" erschienen.

Nicht nur beim Menschen ist die Frage wichtig, ob jemand Rechts- oder Linkshänder ist. Je nachdem, mit welcher Hand wir etwas greifen, umschließen unsere Finger ein Objekt im Uhrzeigersinn oder gegen ihn. Auch in der Welt der Moleküle ist die Händigkeit von großer Bedeutung. Bei Molekülen ist die Eigenschaft, eine bevorzugte Händigkeit zu haben, sogar noch viel wichtiger als beim Menschen: Denn bestimmte Substanzen können je nachdem, ob sie rechts- oder linkshändig vorliegen, entweder giftig oder heilsam sein. Manche Medikamente dürfen deshalb nur entweder links- oder rechtshändige Moleküle enthalten.

Das Problem dabei liegt darin, rechts- und linkshändige Moleküle, die sonst völlig identisch sind, nach ihrem "Chiralität" genannten Drehsinn zu identifizieren und zu trennen. Denn außer bei Kontakt mit einem anderen chiralen Stoff verhalten sie sich völlig gleich. Ein internationales Forscherteam hat nun ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich die Händigkeit von Molekülen mit extremer Empfindlichkeit bestimmen lässt.

Seit dem 19. Jahrhundert ist bekannt, dass Moleküle in unterschiedlicher Händigkeit vorliegen können. Bekanntestes Beispiel ist das Erbgut, wie etwa menschliche DNA, dessen Struktur einem rechtsdrehenden Korkenzieher entspricht. Zur Bestimmung der Händigkeit nutzt man üblicherweise sogenannte zirkular polarisierte Lichtstrahlen, die entweder rechts- oder linksdrehende elektromagnetische Felder aufweisen - wie ein Korkenzieher entlang der Ausbreitungsachse gewickelt. Dieses chirale Licht wird etwas besser oder schlechter absorbiert, wenn es auf Moleküle mit gleichem oder umgekehrtem Drehsinn trifft. Der Effekt ist jedoch klein, da die Wellenlänge von Licht sehr viel größer ist als die atomaren Abstände in Molekülen. Das Licht "spürt" den Drehsinn der Moleküle also nur ganz schwach.

Mit der neuen Methode lässt sich das Signal aber enorm verstärken. "Der Trick besteht darin, die Moleküle mit einem sehr kurzen Laserpuls zu bestrahlen", sagt Prof. Olga Smirnova, Leiterin der Theoriegruppe am Max-Born-Institut. Solch ein Puls ist nur rund eine zehntel billionstel Sekunde lang und überträgt Energie auf die Elektronen im Molekül. Das regt sie für kurze Zeit zu Schwingungen an. Da sich die Elektronen in der rechts- oder linkshändigen Struktur des Moleküls befinden, nimmt auch ihre Schwingung diesen Drehsinn an.

Die Schwingung lässt sich dann mit einem zweiten Laserpuls auslesen. Dieser Puls muss ebenfalls kurz sein, um die Richtung der Elektronenbewegung registrieren zu können. Er hat so viel Energie, dass er die angeregten Elektronen aus dem Molekül herausschlägt. Je nachdem, ob die Elektronen rechts- oder linkshändig orientierte Schwingungen vollführten, fliegen sie dann entweder in Richtung des Laserstrahls aus dem Molekül oder in umgekehrter Richtung.

Bei Experimenten am "Centre for Intense Lasers and Applications" CELIA) der Universität Bordeaux konnte auf diese Weise sehr effizient die Händigkeit der Moleküle bestimmt werden, und zwar mit einem 10.000-fach stärkeren Signal als mit der üblicherweise genutzten Methode. Außerdem lassen sich so chirale chemische Reaktionen einleiten und über die Zeit verfolgen. Das Kunststück besteht darin, sehr kurze Laserpulse mit der passenden Frequenz bereitzustellen. Diese Technologie stammt aus der physikalischen Grundlagenforschung und ist erst seit Kurzem verfügbar. Sie könnte sich für andere Bereiche als äußerst hilfreich erweisen, bei denen die Händigkeit von Molekülen eine Rolle spielt, etwa für die chemische und pharmazeutische Forschung.

Da die Identifikation der Händigkeit von Molekülen mit der neuen Methode gelungen ist, denken die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits darüber nach, auch ein Laser-Trennverfahren für rechts- und linkshändige Moleküle zu entwickeln. (Text: Dirk Eidemüller / Forschungsverbund Berlin e.V.)

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Durch einen ultrakurzen, zirkular polarisierten Laserpuls folgen die Elektronen einer spiralförmigen Rechts- oder Linksdrehung, die von der Händigkeit der Moleküle abhängt. Quelle: Samuel Beaulieu

Originalpublikation: Nature Physics
S. Beaulieu, A. Comby, D. Descamps, B. Fabre, G. A. Garcia, R. Géneaux, A. G. Harvey, F. Légaré, Z. Mašin, L. Nahon, A. F. Ordonez, S. Petit, B. Pons, Y. Mairesse, O. Smirnova and V. Blanchet: Photoexcitation Circular Dichroism in Chiral Molecules
Nature Physics (2018) online, doi:10.1038/s41567-017-0038-z.

Kontakt

Prof. Dr. Olga Smirnova, Tel.: 030 6392 1340

 

 

 
     
 


Flexibilität und Ordnung - die Wechselwirkung zwischen Ribonukleinsäure und Wasser

16. Januar 2018

Ribonukleinsäure (RNA) spielt eine Schlüsselrolle für biochemische Prozesse, die auf zellulärer Ebene in einer wässrigen Umgebung ablaufen. Mechanismen und Dynamik der Wechselwirkung zwischen RNA und Wasser wurden jetzt durch Schwingungsspektroskopie im Ultrakurzzeitbereich aufgeklärt und theoretisch analysiert.

Ribonukleinsäure (RNA) ist ein elementarer Bestandteil biologischer Zellen. Während Desoxyribonukleinsäure (DNA) das Speichermedium der Erbinformation darstellt, verfügt RNA über eine vielfach komplexere biochemische Funktionalität. Dies beinhaltet die Informationsübertragung in Form von mRNA, RNA-vermittelte katalytische Aktivität in Ribosomen bis hin zur Speicherung von Erbinformation in Viren. Chemisch besteht RNA aus einer Abfolge organischer Nukleobasenmoleküle, die durch ein sog. Rückgrat aus Phosphat- und Zuckergruppen zusammengehalten werden. Ein derartiger Molekülstrang kann einzeln oder gepaart in Form einer Doppelhelix vorliegen. Beide makromolekularen Formen sind in eine Wasserhülle eingebettet; die Sauerstoffatome der Phosphat- und Zuckergruppen stellen ausgezeichnete Kontaktstellen für Wassermoleküle dar. Die Struktur der Wasserhülle weist hierbei Fluktuationen in einem Zeitbereich von Bruchteilen einer Pikosekunde (1 ps = 10-12 s = 1 Millionstel einer Millionstel Sekunde) auf. Die Wechselwirkung zwischen RNA und Wasser und ihre Rolle für die Ausbildung dreidimensionaler RNA-Strukturen sind erst in Ansätzen verstanden und experimentell schwer zugänglich.

Forscher am Max-Born-Institut haben jetzt mit einer neuen experimentellen Methode die Wechselwirkung zwischen RNA und der umgebenden Wasserhülle in Echtzeit verfolgt. Dabei dienen Schwingungen des RNA-Rückgrats als empfindliche Sonden für den Einfluss der unmittelbar benachbarten Wassermoleküle auf Struktur und Dynamik der RNA. Mit der sog. zweidimensionalen Schwingungsspektroskopie lassen sich die zeitliche Entwicklung von Schwingungsanregungen aufzeichnen und molekulare Wechselwirkungen innerhalb der RNA wie auch zwischen RNA und Wasser bestimmen. Dabei zeigt sich, dass Wassermoleküle an der RNA-Oberfläche ultraschnelle Kippbewegungen in Bruchteilen einer Pikosekunde ausführen, ihre lokale räumliche Anordnung jedoch für einen Zeitraum von mehr als 10 Pikosekunden beibehalten. Dieses Verhalten weicht von der Dynamik des reinen Wassers deutlich ab und ist stark durch die räumlichen Randbedingungen an der RNA-Oberfläche beeinflusst. Einzelne Wassermoleküle verbinden hierbei benachbarte Phosphatgruppen und bilden eine teilweise geordnete Struktur, die durch Kopplung an die Zuckereinheiten vermittelt wird.

Die sich bewegenden Wassermoleküle erzeugen eine elektrische Kraft, mit der die Wasserfluktuationen auf Schwingungen der RNA übertragen werden. Die Schwingungen des RNA-Rückgrats zeigen ein unterschiedliches dynamisches Verhalten, das von der lokalen Wasserumgebung bestimmt wird und deren Heterogenität widerspiegelt. RNA-Schwingungen koppeln ihrerseits aneinander, sie tauschen Energie untereinander und mit der Wasserhülle aus. Die damit verbundene ultraschnelle Umverteilung von Überschussenergie verhindert ein lokales Überhitzen der makromolekularen Struktur. Dieses komplexe Szenario wurde durch detaillierte theoretische Berechnungen und Simulationen analysiert, mit denen u.a. die Schwingungsbewegungen des RNA-Rückgrats erstmals komplett und quantitativ identifiziert wurden. Vergleichende Experimente an DNA enthüllen Gemeinsamkeiten, aber auch charakteristische Unterschiede im Verhalten dieser beiden elementaren Biomoleküle, wobei sich RNA durch eine strukturiertere Anordnung der umgebenden Wasserhülle auszeichnet. Die Ergebnisse der Studie demonstrieren das vielfältige Potential von nicht-invasiver zeitaufgelöster Schwingungsspektroskopie, um das Wechselspiel von Struktur und Dynamik auf molekularen Längen- und Zeitskalen in komplexen biomolekularen Systemen zu entschlüsseln.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Links: Struktur der RNA-Doppelhelix, blaue Sphären stellen Natrium-Gegenionen dar. Rechts: Vergrößerung des aus Phosphat- und Zuckergruppen bestehenden RNA-Rückgrats, verbrückende Wassermoleküle sind schematisch dargestellt. Die Schwingungen des RNA-Rückgrats dienen als empfindliche Sonden, um den Einfluss unmittelbar benachbarter Wassermoleküle auf Struktur und Dynamik der RNA in Echtzeit zu verfolgen.


Abb. 2 (Klick für vergrößerte Ansicht)
Abb. 2: Zweidimensionale Schwingungsspektren von RNA (oben) und DNA (unten) im Frequenzbereich der Zucker-Phosphat-Schwingungen des Rückgrats. Das RNA Spektrum weist zusätzliche Banden (Konturen) entlang der Frequenzdiagonalen ν13 und eine komplexere Verteilung von Außerdiagonalbeiträgen auf. Neben den Frequenzpositionen geben die Linienformen der einzelnen Banden (Konturen) Aufschluss über Details der Wechselwirkung mit benachbarten Wassermolekülen.

Originalpublikation:
E. M. Bruening, J. Schauss, T. Siebert, B. P. Fingerhut, T. Elsaesser: Vibrational Dynamics and Couplings of the Hydrated RNA Backbone: A Two-Dimensional Infrared Study.
J. Phys. Chem. Lett. 9, 583-587 (2018). DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b03314.

Kontakt

Dr. Benjamin Fingerhut, Tel.: 030 6392 1404

Prof. Dr. Thomas Elsaesser, Tel.: 030 6392 1400

 

 

 
     
 


Fußabdrücke von Röntgenpulsen

15. Januar 2018

Wissenschaftler des MBI haben zusammen mit Kollegen italienischer Forschungseinrichtungen eine Methode gefunden, um den "Fußabdruck" eines Röntgenlaserpulses auf einer Probe zu bestimmen.

Freie Elektronen Laser (FELs) produzieren intensive und kohärente Röntgenpulse - eine Voraussetzung, um nichtlineare Prozesse in der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie zu studieren und auszunutzen. Analog zur Entwicklung der nichtlinearen Optik nach der Erfindung des Lasers im sichtbaren Spektralbereich ist zu erwarten, dass daraus ein breites wissenschaftliches Anwendungsfeld erwächst. Ein ganz wesentlicher Parameter ist in diesem Zusammenhang die Fluenz der Strahlung, die auf der Probe in einem einzigen, ultrakurzen Röntgenpuls deponiert wird - für eine vorgegebene Photonenenergie ist dies die Anzahl der Photonen pro beleuchteter Fläche. Leider kann an FELs diese Fluenz von Schuss zu Schuss variieren, sowohl was die Anzahl der Photonen als auch deren räumliche Verteilung auf der Fläche betrifft. Einfach ausgedrückt gibt es einen "Fußabdruck" des Röntgenpulses auf der Probe, der in Form und Intensität variieren kann. Dieser Sachverhalt macht quantitative Studien nichtlinearer Effekte mit FELs im Röntgenbereich zu einer großen Herausforderung, denn diese Effekte hängen ja gerade sensitiv von der Fluenz ab.

Wissenschaftlern des MBI und der italienischen Forschungseinrichtungen ELETTRA und IOM haben nun eine Methode entwickelt, die es erlaubt, für einzelne ultrakurze FEL Pulse die räumliche Verteilung der Fluenz auf einer Probe zu messen und gleichzeitig das von exakt diesem Puls generierte Streusignal der Probe aufzuzeichnen. Die Methode beruht auf der Fabrikation gitterartiger Strukturen von nur wenigen Nanometern Tiefe in die Membran, die die zu untersuchende Probe trägt. Durch eine absichtliche, zweidimensionale Verzerrung wird diese Gitterstruktur zu einem diffraktiven optischen Element, das den Fußabdruck des Strahlungspulses auf einem Detektor abbilden kann. In der Abbildung unten ist der Fußabdruck des Strahls (in zwei zueinander konjugierten Kopien) als ein Fleck mit schachbrettartigen Seitenminima und -maxima sichtbar. Die Probe besteht aus einem ferromagnetischen Material mit verschieden ausgerichteten Domänen, deren resonante magnetische Streuung zusätzlich als ringförmige Intensität auf dem Detektor sichtbar ist. Mit dieser Technik können die Wissenschaftler nun das Streusignal einer Probe zu der exakt auf diese Probe im selben Röntgenpuls eingefallenen Fluenz in Beziehung setzen.

Darüber hinaus ist das Konzept von ganz praktischem Nutzen, wenn es darum geht, die Röntgenoptik zu justieren oder eine Probe im Strahl auszurichten. Bewegt man eine solche Gitterstruktur - ohne integrierte Probe - durch den Röntgenstrahl, so lässt sich das Strahlprofil an der Position des Gitters live auf dem Detektor beobachten. Bereits jetzt wird das neue Verfahren routinemäßig zur Justage des Röntgenstrahls am Freien Elektronen Laser FERMI eingesetzt.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Bild auf einem zweidimensionalen Detektor hinter der Probe, das sowohl die ringförmige magnetische Streuung als auch die Fluenzverteilung ("Fußabdruck") der Röntgenstrahlung auf der Probe zeigt, die diese magnetische Streuung hervorgerufen hat.

Originalpublikation:
M. Schneider, C. M. Günther, B. Pfau, F. Capotondi, M. Manfredda, M. Zangrando, N. Mahne, L. Raimondi, E. Pedersoli, D. Naumenko, and S. Eisebitt, In situ single-shot diffractive fluence mapping for X-ray free-electron laser pulses, Nature Communications 9, 214 (2018).

Kontakt

Prof. Dr. Stefan Eisebitt, Tel.: 030 6392 1300

 

 

 
     
 


Marc Vrakking zum Chefredakteur von "Journal of Physics B" ernannt.

1. Januar 2018

Prof. Marc Vrakking, Direktor Bereich A des Max-Born-Institutes wurde am 1. Januar 2018 zum Chefredakteur des "Journal of Physics B" ernannt. Er tritt damit die Nachfolge von Prof. Paul Corkum, "University of Ottawa" an, der in dieser Funktion seit 2011 tätig war.

Das "Journal of Physics B", eine Publikation des britischen Instituts für Physik (IOP), zählt zu den wesentlichen Zeitschriften im Bereich der Atomaren, Molekularen und Optischen Physik (AMO). Insbesondere auf den Feldern der Starkfeldphysik, der Attosekundenforschung sowie auf dem Gebiet der Freien Elektronen Laser spielt die Zeitschrift eine bedeutende Rolle. Dies kommt in einer Vielzahl wichtiger Beiträge (in den Rubriken "Topical Reviews", "Tutorials", "Special Issues" und "Roadmaps"), die kontinuierlich in der Zeitschrift erscheinen, zum Ausdruck. Zwischen den Themen der Zeitschrift und dem Forschungsprogramm des Bereichs A am Max-Born-Institut gibt es inhaltlich zahlreiche Bezugspunkte.

Kontakt:

Prof. Marc Vrakking Tel. (030) 6392 1200

 
     
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