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Archiv: Highlights am MBI
Highlights 2010
 
Highlights im Jahr 2010
 

Holografie mit Elektronen

16. Dezember 2010

Experimentelle Messung von Elektronen, die von dem 7 Mikrometer FELICE Laser aus Xenonatomen ionisiert wurden: Geschwindigkeitsverteilung entlang der (horizontal) und senkrecht zur (vertikal) Polarisationsrichtung Der Ungar Dennis Gábor entdeckte 1947 in theoretischen Arbeiten das Prinzip der Holografie, als er versuchte, die Auflösung von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Durchgesetzt hat sich die Holografie aber erstmals in den 60er Jahren mit der Erfindung des Lasers – sie funktioniert also auch mit Licht. Physiker vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin sind jetzt quasi wieder zu den Anfängen zurück gekehrt, indem sie Holografie mit Elektronen betreiben. Das besondere an ihrer Methode: Die Elektronen, welche das Objekt aufzeichnen, werden zuvor mit einem Laser aus diesem heraus geschossen, stammen also vom Objekt selbst. Die Wissenschaftler berichten darüber in der Onlineausgabe von Science.
Die Holografie, so wie sie den meisten bekannt ist, benötigt kohärentes Licht – also Lichtwellen, die in völligem Gleichklang schwingen. Das Licht wird in zwei Strahlen geteilt, die Referenzwelle und die Objektwelle. Die Referenzwelle fällt direkt auf einen zweidimensionalen Detektor, zum Beispiel eine Fotoplatte. Die Objektwelle beleuchtet ein Objekt und wird an diesem gestreut, dann fällt auch sie auf den Detektor. Dabei überlagern sich die beiden Lichtwellen und es entsteht ein Interferenzmuster, das über die dreidimensionale Form des Objektes Auskunft gibt.
Was Gábor nicht konnte, nämlich eine Quelle für kohärente Elektronenstahlen konstruieren, ist bei Physikern, die mit starken Laserfeldern experimentieren, schon fast Standard. Sie schießen mit ultrastarken, ultrakurzen Laserpulsen Elektronen aus Atomen und Molekülen heraus, dies nennt man Ionisierung. Solche Elektronen sind kohärent und bildeten deshalb die Basis für das neue Holografie-Experiment mit Xenonatomen. Marc Vrakking vom MBI beschreibt, was bei der Ionisierung grundsätzlich passiert: „Durch das starke Laserfeld werden die Elektronen vom Atom weggerissen. Weil das Laserfeld schwingt, schnipsen einige von ihnen wie von einem Gummiband gehalten wieder zurück. Sie bewegen sich also in Richtung Atom und damit haben wir eine perfekte Elektronenquelle.“
Die herausgeschossenen Elektronen haben nun verschiedene Möglichkeiten: Manche vereinigen sich wieder mit dem Atom und erzeugen dabei extrem ultra-violettes (XUV) Licht, das die Basis für die heutige Attosekundenphysik ist, eines der neuen Hauptthemen am MBI. Die meisten Elektronen fliegen aber am Atom vorbei und bilden in den Holografie-Experimenten die Referenzwelle. Die Elektronen, welche vom Atom gestreut werden, bilden die Objektwelle. Die Wissenschaftler fingen die Elektronen mit einem Detektor auf und konnten ein charakteristisches Interferenzmuster beobachten, das den dreidimensionalen Zustand des Xenonatoms wiedergibt.
Dabei waren im Experiment bestimmte Bedingungen nötig: Um ein klares holografisches Bild zu erhalten, durfte die Referenzwelle nicht von dem positiv geladenen Objekt, also dem Xenonion, beeinflusst werden. Die Elektronenquelle sollte sich deshalb möglichst weit entfernt vom Objekt befinden. Aus diesem Grund führten die Forscher die Experimente mit dem Freie-Elektronenlaser FELICE (Free Electron Laser for Intracavity Experiments) durch, der langwelliges Licht im Bereich von 4 bis 40 Mikrometer aussendet. Solche Wellen "entführen" die Elektronen besonders weit vom Atom weg, bevor sie sie wieder zurückbringen.
Die Elektronen werden bei der Ionisation mit minimalen Verzögerungen produziert, diese liegen unter einer Femtosekunde. Die Forscher konnten so über theoretische Berechnungen zeigen, dass sie zeitaufgelöste holografische Bilder erhalten hatten. Ein exaktes dreidimensionales Bild des Xenonatoms können sich die Wissenschaftler aus den Interferenzmustern zwar noch nicht konstruieren, aber Vrakking hält so etwas in Zukunft durchaus für möglich. "Wir haben erstmalig gezeigt, dass Holografie auf atomaren Größenskalen und zeitaufgelöst mit dieser Methode möglich ist", sagt er. Dies eröffne neue Möglichkeiten für die zeitaufgelöste Beobachtung von Molekülen.
Die Arbeiten erfolgten in Zusammenarbeit mit Forschern aus den FOM Instituten AMOLF und Rijnhuizen, Niederlande.
Das folgende Highlight (auch vom 16.12.2010) steht mit diesem im thematischen Zusammenhang.

Weitere Informationen:

DOI:10.1126/science.1198450
Originalmanuskript auf Anfrage

Kontakt: Prof. Marc Vrakking, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030-6392 1200, Mobil: 0151-57153446, weitere E-Mail
Prof. Dieter Bauer, Universität Rostock, Institut für Physik, Tel.: 0381 498- 6940

 
     
 

Das Rätsel der langsamen Elektronen

16. Dezember 2010

2009 nannte es das Journal Nature Physics die "Ionisations-überraschung". Bislang gingen Physiker davon aus, dass sie die Ionisation von Atomen durch starke Laserfelder gut verstehen würden. Aber als sie Edelgasatome mit relativ langwelligem (einige µm) Laserlicht ionisierten, konnten sie unerwartet langsame Elektronen beobachteten, die durch die gängigen Theorien nicht zu erklären waren. In der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters haben Wissenschaftler der Universität Rostock, des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik und des Max-Born-Instituts diese Beobachtung nun erklärt.
Die Ionisation von Atomen durch starke Laserfelder spielt heute in Ultrakurzpuls-Laserlaboren eine wichtige Rolle. Der Prozess ist die Grundlage für wichtige Verfahren wie zum Beispiel die Erzeugung Hoher Harmonischer Photonen, die wiederum die Herstellung von Attosekunden-Laserpulsen (1 as = 10-18 s) ermöglichen. Mit Hilfe dieser Technik können tomographische Verfahren entwickelt werden, die die Beobachtung ultraschneller Elektron- und Atombewegungen auf einer Zeitskala von Attosekunden bis hin zu einigen Femtosekunden (1 fs = 10-15 s) erlauben. Bereits seit einigen Jahrzehnten verwenden Physiker theoretische Methoden, mit denen sie die Starkfeld-Laserionisation beschreiben. Sie basieren üblicherweise auf der sogenannten „Starkfeld-Näherung“ (SFA). Diese nimmt an, dass nach der Ionisation die Bewegung des freien Elektrons weitgehend durch das elektrische Feld des ionisierenden Lasers bestimmt wird, während die Coulomb-Kraft zwischen dem Elektron und dem zurückbleibenden Ion kaum eine Rolle spielt.
Die Starkfeld-Näherung hat den Wissenschaftlern über Jahre gute Dienste erwiesen und zum Verständnis von vielen experimentellen Beobachtungen bei der Ionisation mit starken Laserfeldern beigetragen. Allerdings nur bis jetzt! In einer bemerkenswerten Veröffentlichung haben Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten und Deutschland 2009 über ein neues Phänomens bei der Starkfeld-Ionisation berichtet: Sie beobachteten eine ausgeprägte Signalspitze in der kinetischen Energieverteilung der Photoelektronen bei sehr niedrigen Energien, die bis zu 50 Prozent der emittierten Elektronen beinhaltet. Bemerkenswerterweise konnte die physikalische Ursache nicht ermittelt werden.
In der neuen Veröffentlichung legen die Wissenschaftler aus Rostock, Berlin und Heidelberg nun dar, dass die niedrigen Elektronenenergien durch die Coulomb-Anziehung zwischen dem wegfliegenden Elektron und dem zurückbleibenden Ion hervor gerufen werden. Sie haben eine neuartige theoretische Beschreibung des Starkfeld-Ionisationsprozesses entwickelt, die zu Beginn des Ionisationsprozesses der alten Starkfeld-Näherung entspricht, jedoch später die Bahn des Elektrons in einem kombinierten Coulomb- und Laserfeld berechnet. Dieser Ansatz konnte in überzeugender Weise die niedrigen Photoelektronenenergien wiedergeben und zeigen, dass sie durch das hin und her schwingen des Elektrons im oszillierenden Laserfeld verursacht werden. Bei diesem Prozess werden die Elektronen in die Nähe des Ions gebracht, wobei die Elektronenbahnen erheblich gestört werden. Dies führt dazu, dass die Elektronen nur knapp der Anziehung des Ions entkommen können.
Der Coulomb-korrigierte SFA-Formalismus, der auf den oben beschriebenen Interferenzen von Quantenbahnen basiert, löste nicht nur das Rätsel der „Ionisation-Überraschung“, sondern war auch bei einer verwandten Arbeit zum Auftreten holographischer Strukturen in der Starkfeld-Ionisation hilfreich, die diese Woche in Science Express erscheint.

Weitere Informationen:

10.1103/PhysRevLett.105.253002

Kontakt: Prof. Marc Vrakking, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030-6392 1200, Mobil: 0151-57153446, weitere E-Mail
Prof. Dieter Bauer, Universität Rostock, Institut für Physik, Tel.: 0381 498- 6940

 
     
 

Innovationspreis Berlin Brandenburg für Femtosekunden-Röntgenquelle zur Untersuchung molekularer Strukturen in Echtzeit

10. Dezember 2010

Gemeinsam mit dem Unternehmen IfG – Institute for Scientific Instruments GmbH wurde das Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) für die Entwicklung einer lasergetriebenen Röntgenplasmaquelle mit dem Innovationspreis 2010 ausgezeichnet. Das neue kompakte Gerät liefert – von einem verstärkten Kurzpulslasersystem angetrieben – Impulse harter Röntgenstrahlung mit einer extrem kurzen Dauer von 100 fs (1 fs = 10-15s, 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) und einer Repetitionsrate im Kilohertzbereich. Diese Röntgenimpulse sind mit den optischen Impulsen des verwendeten Lasersystems synchronisiert und gestatten die Durchführung von Röntgenbeugungsexperimenten höchster Zeitauflösung. „Der Erfolg ist das Ergebnis des engen Austauschs und der intensiven Zusammenarbeit von Grundlagenforschern und Ingenieuren am Standort Berlin-Adlershof“ betonten Prof. Norbert Langhoff (IfG) und Prof. Thomas Elsässer (MBI) bei der Entgegennahme des Preises. Video
In vielen Bereichen, etwa der molekularen Biologie, der Nanotechnologie oder der Sensortechnik sind grundlegende Eigenschaften und technische Funktionen mit Bewegungen von Molekülen oder Atomschichten verknüpft. Diese vollziehen sich extrem schnell auf unvorstellbar kleinem Raum. Um solche Prozesse zu verstehen und ihre Funktion zu optimieren, muss man ihren Ablauf sichtbar machen. Dazu braucht man eine 'Kamera', die eine ultraschnelle Folge von Schnappschüssen des Systems erzeugt und damit seine momentane Struktur abbildet. Dieser Traum lässt sich mit der ausgezeichneten Femtosekunden-Röntgen-Plasmaquelle verwirklichen, die die direkte Abbildung ultraschneller atomarer und molekularer Bewegungen mit höchster Zeitauflösung gestattet.
Ultrakurze Röntgenimpulse werden in der Plasmaquelle durch die Bestrahlung eines Metalltargets, z.B. eines Kupferbandes, mit hochintensiven ultrakurzen Lichtimpulsen aus einem kommerziellen Lasersystem erzeugt. Im hohen elektrischen Feld der Laserimpulse werden Elektronen stark beschleunigt und erzeugen nach dem Eindringen in das Metall sog. charakteristische Röntgenstrahlung, ähnlich dem Prinzip einer konventionellen Röntgenröhre. Da der treibende Laserimpuls nur ca. 50 fs andauert, sind die Beschleunigung der Elektronen und damit die Dauer der Röntgenerzeugung auf dieses extrem kurze Zeitintervall begrenzt. Zur Herstellung einer Abfolge von Röntgenschnappschüssen wird der zu untersuchende Prozess mit einem ultrakurzen Lichtimpuls gestartet und der Röntgenimpuls zu einer bestimmten Verzögerungszeit an der angeregten Probe gebeugt. Durch Variation der Verzögerungszeit im Experiment entsteht eine Abfolge von Schnappschüssen, das 'Röntgen-Movie'.
Die hier entwickelte Technologie ist international konkurrenzlos und hat entscheidend zur führenden Stellung des MBI in der zeitaufgelösten Strukturforschung beigetragen. So wurde die kürzlich erstmals demonstrierte Femtosekundenbeugung an kristallinen Pulvern in der Fachpresse als herausragender Durchbruch gewürdigt. Die Arbeiten am MBI werden u.a. durch einen Advanced Grant for Pioneering Frontier Research des European Research Councils gefördert. Als neue Anwendungsfelder erschliesst die Innovation die Materialforschung, Nanotechnologie, Chemie und Pharmazie. Das Gerät wurde bisher vier Mal realisiert, ggw. werden Verkaufsverhandlungen mit vier weiteren Kunden geführt. Der erzielte Umsatz beläuft sich auf ca. 2 Mio Euro netto.

Photo: PUBLICIS Berlin GmbH Weitere Informationen:

Kontakt: Prof. Dr. Thomas Elsässer, Tel +4930 6392 1401
Prof. Dr. Norbert Langhoff, IfG, Tel +4930 6392 6500

 
     
 

Noch mehr Leistung für Laserkraftpakete

14. Oktober 2010

Spiegel eines LaserverstärkersEntweder einmal mit ungeheurer Wucht oder ganz schnell in Folge - so könnte man den derzeitigen Stand in der Lasertechnologie beschreiben. Physiker des Max-Born-Instituts (MBI) in Berlin wollen in enger Zusammenarbeit mit den Diodenlaserspezialisten des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) beides verbinden. Ihr Ziel sind Laser, die hohe Einzelpulsleistungen haben und mindestens einhundert Mal pro Sekunde abgefeuert werden können. Für die Entwicklung solcher Laser erhielten die Forscher 3 Millionen Euro von der Europäischen Union (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung - EFRE). Der Gesamtetat des Projektes beträgt 6 Millionen.
Hochintensitätslaser sind ein relativ junges Produkt der physikalischen Forschung. Sie können einzelne Lichtpulse mit unvorstellbarer Leistung aussenden – weit mehr als die Leistung aller Kraftwerke dieser Welt zusammen. Dabei drängt sich die Energie des Einzelpulses auf einen Zeitraum zusammen, der deutlich kürzer ist als ein Millionstel einer millionstel Sekunde. Wegen ihrer hohen Einzelpulsleistung sind solche Laser dabei, viele Gebiete der Naturwissenschaften, Technik und Medizin zu revolutionieren. Sie dienen unter anderem der Erzeugung neuer Materiezustände, der Ultrapräzisionsbearbeitung von Materialien oder zur Erzeugung von Teilchen- oder Photonenstrahlung mit bisher unerreichten Eigenschaften. Man erwartet sogar, dass innerhalb des nächsten Jahres erstmals die Kernfusion mittels Hochintensitätslasern demonstriert werden kann – vielleicht ein Schritt zu einer vergleichsweise sauberen und praktisch unerschöpflichen Energiequelle.
Eine technologische Lücke besteht jedoch bei fast allen diesen Lasern: Die Wiederholrate ihrer Lichtpulse ist beschränkt und liegt bei 10 mal pro Sekunde (10 Hertz), oft deutlich darunter. „Wenn auch die Einzelpulse ungeheuer leistungsstark sind, die Gesamtleistung oder auch mittlere Leistung herkömmlicher Hochintensitätslaser beträgt kaum mehr als 10 Watt. Das ist vergleichbar mit einer Energiesparlampe“, sagt MBI-Direktor Professor Wolfgang Sandner, in dessen Bereich das neue Projekt angesiedelt ist.
In diese Lücke stößt die neue MBI-Laserentwicklung. Das Institut besitzt seit einigen Jahren eine weltweite Spitzenposition auf dem Gebiet von Pikosekunden-Lasern hoher Pulsenergie und Wiederholrate, also hoher mittlerer Leistung. Diese Systeme können dank einer innovativen, hocheffizienten Kühlung des Lasermaterials mehr als hundertmal pro Sekunde abgefeuert werden. „Um bei diesen Lasern die mittlere Leistung noch weiter zu steigern, wollen wir vor allem die Energie der Einzelpulse erhöhen, zunächst auf einige Joule, später wahrscheinlich auf deutlich mehr“, kündigt der MBI-Projektleiter Dr. Ingo Will an. Solche Laser hätten dann eine mittlere Leistung im Kilowattbereich mit Pulsdauern von Pikosekunden und sehr hohen Einzelpulsenergien, was bis jetzt noch von keinem Laser erreicht wird.
Dringend benötigt werden solche Laserkraftpakete zum Beispiel als technologische Basis für das europäische Großobjekt ELI. Das Kürzel steht für Extreme Light Infrastructure, den künftig weltweit leistungsstärksten Laser für die Grundlagenforschung. Erste Entwürfe für das Front-end eines 10 Petawatt Lasers, Demonstrator für das ELI-Projekt, sind bereits abgeschlossen. Der Pumplaser für dieses Frontend wird zurzeit am MBI gebaut und soll demnächst an das Institut d'Optique in Palaiseau, Frankreich, ausgeliefert werden.
Das Grundkonzept der neuen Laser ist ein vollständig dioden-gepumpter Festkörperlaser. Eine der erfolgversprechendsten Laserarchitekturen, die sogenannte Scheibenlaser-Architektur, wurde von den Kooperationspartnern IfSW Stuttgart, DLR Stuttgart und TRUMPF Lasertechnik GmbH übernommen und in den letzten Jahren mit Mitteln der Berliner Technologieförderung PROFIT und des Leibniz-SAW-Programms weiterentwickelt. Vom Projektpartner FBH kommen neuartige Pumpdioden für die Scheibenlaser. Gefördert wird das jetzt bewilligte EFRE-Projekt über die Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung des Landes Berlin. Als ersten Meilenstein im eigenen Hause wollen die MBI-Forscher mit dem neuen Laser einen weltweit einzigartigen kompakten Röntgenlaser mit Energie versorgen. Mit einer Wellenlänge von 13 Nanometern und einer Wiederholrate von 100 Hertz soll er im Labor kohärente Röntgenstrahlung erzeugen, wie es sonst nur große Freie-Elektronen-Laser wie FLASH in Hamburg können. Langfristig sollen Scheibenlaser als Energiequelle für die nächste Generation von Hochintensitätslasern dienen. Außerdem plant das MBI den Aufbau einer Hochleistungs-Attosekundenquelle in Zusammenarbeit mit Prof. Marc Vrakking, dem neu berufenen Direktor am MBI.

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Ingo Will, Tel +4930 6392 1320
s. auch Pressemitteilung Forschungsverbund

 
     
 

Elementarteilchen im Paartanz

16. August 2010

Blick in die Kristallstruktur von AmmoniumsulfatForscher des Berliner Max-Born-Instituts messen die Position von Elektronen und Protonen während einer chemischen Reaktion direkt mit ultrakurzen Röntgenblitzen.
Eine chemische Reaktion erzeugt aus einem oder mehreren Ausgangsstoffen neue Substanzen. Auf der Ebene der beteiligten Moleküle ändert sich dabei die räumliche Anordnung von Elektronen und Atomkernen. Während man die Struktur der ursprünglichen und der erzeugten Moleküle häufig gut bestimmen kann, sind die Strukturen und molekularen Bewegungen während der Reaktion meist unbekannt. Ihre Kenntnis ist für ein genaues Verständnis der Reaktion aber unverzichtbar.
Ein Traum ist deshalb das "Reaktionsmikroskop", mit dem sich Moleküle während einer Reaktion beobachten lassen. Die technologischen Herausforderungen für solch ein ultraschnelles „Kino“ sind in jüngster Zeit erfolgreich gemeistert worden. Forscher am Berliner Max-Born-Institut haben jetzt mit Hilfe von Röntgenimpulsen eine chemische Reaktion in bewegten Bildern auf atomaren Längen- und Zeit-Skalen, also im Bereich von 10-10 Metern und 10-13 Sekunden, dargestellt.
Michael Wörner, Flavio Zamponi, Zunaira Ansari, Jens Dreyer, Benjamin Freyer, Mirabelle Premont-Schwarz und Thomas Elsässer berichten in der neuesten Ausgabe des Journal of Chemical Physics über die direkt zeitaufgelöste Beobachtung einer chemischen Reaktion in Ammoniumsulfat-Kristallen [(NH4)2SO4]. Ausgehend von einem Kurzpuls-Lasersystem der neuesten Generation erzeugten sie einen 50 Femtosekunden (1 fs = 10-15 Sekunden) langen blauen Lichtblitz, der die chemische Reaktion auslöste. Nur minimal zeitversetzt schickten sie einen synchronisierten 100 fs langen Röntgenblitz hinterher, mit dem sie mit hoher räumlicher Auflösung das Geschehen abbilden konnten. Der Röntgenimpuls wird dabei an einem Pulver aus kleinen Kristallen gebeugt (sog. Debye-Scherrer-Methode). Aus der Vielzahl gleichzeitig gemessener Beugungssignale konnten die Physiker die momentanen atomaren Abstände im Kristall und die dreidimensionale Verteilung der Elektronen innerhalb des Kristalls rekonstruieren. Durch die Aufnahme von Röntgen-Schnappschüssen zu verschiedenen Zeiten nach dem Auslösen der Reaktion entstand mit Hilfe des Stroboskop-Effekts also ein bewegter Film.
Völlig überraschend beobachteten die Berliner Physiker eine reversible chemische Reaktion, die sich grundsätzlich von den bekannten langsamen, d.h. thermischen Phasenübergängen des Ammoniumsulfats unterscheidet. Der blaue Lichtblitz führt dazu, dass zunächst das Ammonium-Ion (NH4)+ ein Proton, also eine positive Ladung, und das Sulfat-Ion (SO4)- ein Elektron, eine negative Ladung, abgeben. Die freigesetzten Elementarteilchen vereinigen sich dann zu einem Wasserstoff-Atom, welches schließlich zwischen zwei deutlich voneinander entfernten Positionen innerhalb des Kristalls hin und her springt. Diese Bewegung ist in dem beigefügten Film dargestellt. Die Kreise zeigen die ursprüngliche Position der Protonen an. Die roten Flecke zeigen die Bewegung der Wasserstoff-Atome im Anschluss an die chemische Reaktion.
Die hier erstmals demonstrierte Röntgen-Pulverbeugung im Femtosekunden-Zeitbereich lässt sich auf viele weitere Systeme anwenden, etwa um die Eigenschaften molekularer Magnete aufzuklären oder die Elektronenbewegungen in (bio)molekularen Lichtempfängern zu verfolgen, die in Solarzellen eingesetzt werden.

Weitere Informationen:

Search and Discovery article of Johanna Miller in Physics Today
Journal of Chemical Physics: Concerted electron and proton transfer in ionic crystals mapped by femtosecond x-ray powder diffraction
J. Chem. Phys. 133, 064509 (2010); doi:10.1063/1.3469779
Kontakt: Dr. Michael Wörner, Tel +4930 63921470
s. auch Pressemitteilung Forschungsverbund

 
     
 

Wie sich Elektronen bewegen

11. August 2010

Herstellung von Attosekunden-Lichtblitzen zur Beobachtung von ElektronenbewegungenUm ein Atom oder ein Molekül zu verstehen, müssen Physiker nicht nur deren inneren Aufbau kennen, sondern auch die Bewegung der Elektronen beschreiben können. Aufgrund der extrem hohen Geschwindigkeit war dies bislang nicht möglich. Nun hat ein europäisches Forscher-Team eine solche Mess-Methode entwickelt. Sie berichten darüber in den Physical Review Letters 105, 053001.
Auf der Ebene der Atome und Moleküle funktioniert unsere Alltagsvorstellung von der Welt nicht mehr. Ein Elektron stellen wir uns normalerweise als ein kleines Teilchen vor. "Das ist es auch", sagt Prof. Marc Vrakking, Direktor am Max-Born Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin. "Um es verstehen zu können, müssen wir es aber manchmal aus der quantenmechanischen Sicht betrachten und uns als Wellenpaket vorstellen." Mit dieser abstrakten Vorstellung können die Physiker dann Phänomene erklären, die hinterher wieder mit unserer Alltagsvorstellung übereinstimmen.
Da man die Bewegung eines Elektrons nicht direkt beobachten kann, weil es zu schnell ist, hat das europäische Forscher-Team die Eigenschaften des Elektrons als Wellenpaket gemessen. Sobald sie alle Eigenschaften dieses Wellenpakets kannten, waren sie in der Lage, daraus die komplette Bewegung des Elektrons abzuleiten.
Für das Experiment haben die Forscher das Prinzip der Überlagerung von Wellen verwendet, die sogenannte Interferenz. Sie sind dabei genauso vorgegangen, wie bei Experimenten mit Lichtstrahlen, bei denen regelmäßiges Licht durch zwei Schlitze fällt und auf dem Schirm dahinter helle und dunkle Streifen zu sehen sind. Die Lichtstrahlen verhalten sich dabei wie Wellen – treffen zwei Wellenberge aufeinander, ergibt sich ein heller Streifen, ein Wellenberg und ein Wellental heben sich auf und erscheinen als dunkler Streifen.
Um ein Wellenpaket zu charakterisieren, als das die Physiker das Elektron betrachten, haben sie zunächst ein zweites Wellenpaket erzeugt, analog zu dem zweiten Schlitz für den Lichtstrahl: Mit einem Attosekunden-Laserpuls haben sie dafür ein Elektron aus dem untersuchten Atom herausgelöst. Ein Attosekunden-Laserpuls dauert ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Da die Forscher diesen Laserpuls kontrollieren, kennen sie nun die Eigenschaften des heraus gelösten Elektrons – und damit auch des Wellenpakets, als das sie es sich vorstellen. Überlagern sie nun dieses erzeugte Wellenpaket mit dem unbekannten Wellenpaket, können sie aus dem Interferenzmuster auf die unbekannten Eigenschaften schließen.
Die Methode erklärt Matthias Kling vom Labor für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik: "Für ein aussagekräftiges Interferenzmuster mussten wir das unbekannte Wellenpaket zunächst auf das gleiche Energieniveau wie das von uns zuvor erzeugte bekannte Wellenpaket anheben, welches durch den Attosekunden-Laserpuls viel mehr Energie hat als das unbekannte Wellenpaket in seinem ursprünglichen Zustand. Um diese Interferenz herzustellen, haben wir einen Infrarot-Laserpuls verwendet." Bei sehr großen Energieunterschieden ergibt sich kein echtes Interferenzmuster – das wäre so, als könnte man bei den Lichtstrahlen noch erkennen, durch welchen Schlitz das Licht gefallen ist. Durch die überlagerung der beiden gleichwertigen Wellenpakete konnten die Forscher das bekannte Muster herausrechnen und erhielten so das unbekannte Muster.
Um ein Wellenpaket zu charakterisieren, müssen die Physiker dessen verschiedene Zustände kennen und wie groß die Anteile dieser Zustände am Wellenpaket sind. "Wir nennen das die Bevölkerung der Zustände", sagt Vrakking. Außerdem müssen die Phasen der Wellen bekannt sein, also die zeitliche Verschiebung gegeneinander. Wenn sie diese Faktoren kennen, kehren die Wissenschaftler wieder in unsere ganz normale Vorstellungswelt zurück und beschreiben die komplette Bewegung der Elektronen, die man sich dann wieder als Teilchen denken darf.

Weitere Informationen:

Physical Review Letters: Attosecond Electron Spectroscopy Using a Novel Interferometric Pump-Probe Technique
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.053001
Kontakt: Prof. Dr. Marc Vrakking, Tel +4930 63921200
s. auch Pressemitteilung Forschungsverbund

 
     
 

Ein Blick ins Innere von Molekülen

10. Juni 2010

Molekulare LandschaftUm eine chemische Reaktion nicht nur beobachten, sondern wirklich verstehen zu können, müssen Wissenschaftler das Verhalten der Elektronen innerhalb von Molekülen kennen. Bislang war es technisch nicht möglich, Elektronen zu beobachten, weil sie sich unvorstellbar schnell bewegen. Nun ist dies einer Gruppe von europäischen Forschern mithilfe von Attosekunden-Laserpulsen gelungen.
Eine Attosekunde ist ein milliardstel einer milliardstel Sekunde. In einer Attosekunde legt Licht weniger als ein millionstel Millimeter zurück – das ist gerade mal der Weg von einem Ende eines kleineren Moleküls zum anderen. Zum Vergleich: In einer Sekunde kann Licht unseren Globus achtmal umrunden. Und genau darum betreiben die Physiker den immensen Aufwand, solche kurzen Laserblitze zu erzeugen: Sie können damit die Bewegung der Elektronen innerhalb eines Moleküls wie in einer Fotoserie „fotografieren“.
In dem europäischen Forscher-Team arbeitete Prof. Marc Vrakking, Direktor am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin, zusammen mit Gruppen u.a. aus Mailand, Amsterdam, Lund (Schweden), Garching, Lyon und Madrid. Die Physiker haben zunächst das Wasserstoffmolekül (H2) untersucht – es ist das am einfachsten aufgebaute Molekül mit zwei Protonen und zwei Elektronen.  Die Forscher wollten herausfinden, wie genau die Ionisation in einem Wasserstoffmolekül abläuft, bei der ein Elektron aus dem Molekül entfernt wird, und wie sich das verbliebene Elektron innerhalb des Moleküls hinterher neu anordnet.  Marc Vrakking erklärt: „Wir konnten in unserem Experiment erstmals zeigen, dass wir mit einem Attosekunden-Laser tatsächlich in der Lage sind, die Bewegung von Elektronen im Molekül zu beobachten. Unser Experiment kann man sich so vorstellen: Zunächst haben wir ein Wasserstoffmolekül mit einem Attosekunden-Laserpuls bestrahlt. Dadurch wird ein Elektron aus dem Molekül herausgelöst – das Molekül wird ionisiert. Gleichzeitig haben wir das Molekül mit einem Infrarot-Laserstrahl in zwei Teile geteilt, wie mit einer winzigen Schere. Nun haben wir uns angesehen, wie sich die Ladung auf die zwei Fragmente verteilt – weil ein Elektron fehlt, ist nun ein Teil neutral und ein Teil positiv geladen. Damit wussten wir, wo sich das verbliebene Elektron befand, nämlich im neutralen Teil.“
Schon seit den 1980er Jahren untersuchen Wissenschaftler Moleküle und Atome mithilfe von Femtosekunden-Lasern – eine Femtosekunde ist ein millionstel einer milliardstel Sekunde, also um das tausendfache „langsamer“ als eine Attosekunde. Damit lassen sich Bewegungen von Atomen und Molekülen nachverfolgen, aber kaum die von Elektronen. 2001 gelang es Forschern erstmals, einen Laserblitz mit einer Länge von 250 Attosekunden zu erzeugen. Zunächst stand die technische Entwicklung der Attosekunden-Laser im Vordergrund sowie deren gezielte Steuerung und Messung. Erst allmählich beginnen Wissenschaftler, sie für naturwissenschaftliche Fragestellungen einzusetzen.
Obwohl die Experimente des europäischen Teams mit Attosekunden-Lasern die erhofften Ergebnisse brachten, gab es für die Wissenschaftler eine Überraschung: Um ihre Messungen noch besser interpretieren zu können, bezogen sie eine Gruppe von Theoretikern von der Universität Madrid in das Projekt ein. Die Arbeit der Spanier brachte völlig neue Erkenntnisse. Dr. Felipe Morales aus Madrid, der mittlerweile am MBI arbeitet, berichtet: „Wir sind mit unseren Rechnerkapazitäten fast an die Grenzen gestoßen, eineinhalb Millionen Stunden Computerrechenzeit haben wir aufgewendet.“ Diese Berechnungen zeigten, dass die Komplexität der Fragestellung weitaus größer ist, als vorher angenommen. So zeigte sich zum Beispiel, dass auch das durch den Attosekundenpuls vom Molekül entfernte Elektron eine sehr wichtige Rolle spielt. Vrakking beschreibt es so: „Wir haben das Problem nicht gelöst, wie wir zunächst dachten, wir haben lediglich eine Tür geöffnet. Aber das macht das ganze Projekt eigentlich noch viel wichtiger und interessanter.“

Nature-Paper: Electron localization following attosecond molecular photoionization
http://dx.doi.org/10.1038/nature09084

Kontakt: Prof. Dr. Marc Vrakking, Tel +4930 63921200
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Rekord für kürzeste kontrollierbare Zeit aufgestellt

10. Mai 2010

Ultrakurzer Lichtimpuls mit stabilisierter optischer Phase Optische Verfahren erlauben Echtzeituntersuchungen auf kürzesten Zeitskalen, die mit anderen Methoden nicht zugänglich sind. Mit Lasern lassen sich heute Lichtimpulse von 100 Attosekunden Dauer erzeugen (1 Attosekunde = 10-18s = ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde). Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin haben jetzt einen Rekord für die kürzeste von Menschenhand kontrollierbare Zeit von 12 Attosekunden aufgestellt. Sie berichten darüber in Nature Photonics.
Licht ist eine elektromagnetische Welle sehr hoher Frequenz. Für sichtbares Licht dauert eine einzelne Schwingung des oszillierenden elektrischen Feldes nur etwa 1200-2500 Attosekunden. In ultrakurzen Lichtimpulsen führt das Licht nur einige wenige Schwingungen aus. Um die maximal mögliche Feldstärke zu erreichen, muss das Zentrum des Impulses mit einem Maximum des Feldes zusammenfallen, was der in Abb. (rote Linie) gezeigten Phasenlage entspricht. Impulse aus konventionellen Kurzpulslasern weisen starke Schwankungen in der Position der Feldmaxima relativ zum Impulszentrum auf und erreichen nicht stabil die maximale Feldstärke. Deshalb wurden in den letzten Jahren Verfahren entwickelt, mit denen die Lage der Feldmaxima, das heißt die Phase der Lichtschwingung, stabilisiert werden kann.
MBI-Forscher um Günter Steinmeyer haben nun gemeinsam mit der Wiener Laserfirma Femtolasers ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie die Phasenlage der Lichtschwingung außerhalb des Lasers gezielt verändern können. Dabei wird im Gegensatz zu den bisher angewandten Methoden nicht mehr aktiv in den Laser eingegriffen, wodurch Schwankungen der Laserleistung und Impulsdauer vermieden werden und eine hohe Langzeitstabilität erreicht wird. Vielmehr erfolgt die Korrektur der Phasenlage außerhalb des Lasers in einem sogenannten akusto-optischen Frequenzschieber, der direkt ohne Regelung mit dem Mess-Signal gespeist wird. "Durch diese direkte Korrektur der Phasenlage werden viele Experimente in der Attosekundenphysik und der Frequenzmetrologie dramatisch vereinfacht", ist Steinmeyer überzeugt.
Bisher war eine Stabilisierung der Lage der Feldknoten im Bereich von etwa 100 Attosekunden (10-16 s, entsprechend 1/20 der Wellenlänge) möglich, was auch den kürzesten bisher erreichten Attosekundenimpulsen entspricht. Mit der neuen Methode ist es nun gelungen, diese Begrenzung auf 12 Attosekunden (1,2 x 10-17 s, 1/200 der Wellenlänge) zu reduzieren. Hiermit konnte erstmals die Schallmauer der atomaren Zeiteinheit (24 Attosekunden) unterschritten werden, die die Größenordnung der schnellsten denkbaren Prozesse in der Atomhülle markiert. Dieses eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung schnellster in der Natur vorkommender Prozesse.
Der Rekord wurde in enger Zusammenarbeit mit der Firma Femtolasers erreicht, die einen speziell optimierten Laser für die Experimente zur Verfügung gestellt hat. Basierend auf dieser Kooperation wurde das neue Verfahren unmittelbar transferiert. Femtolasers arbeitet bereits an einer kommerziellen Umsetzung dieses neuen Verfahrens.
Kontakt: Dr. habil. Günter Steinmeyer, Tel +4930 63921440
s. auch Pressemitteilung Forschungsverbund

 
     
 

Negative Masse und hohe Geschwindigkeit: Wie Elektronen eigene Wege gehen

12. April 2010

Wilhelm Kuehn beim Einjustieren des ExperimentsIsaac Newton fand im 17. Jahrhundert heraus, dass eine Kraft die Beschleunigung eines Körpers bewirkt. Die träge Masse des Körpers entspricht dem Verhältnis von Kraft zu Beschleunigung, d.h. bei gleicher Kraft erfährt ein leichter Körper eine größere Beschleunigung als ein schwerer. Die Masse des Körpers ist positiv, d.h. die Beschleunigung erfolgt in der Richtung der Kraft. Geladene Elementarteilchen wie das freie Elektron, dessen Masse nur 10-30 = 0,...(29 Nullen !)...1 Kilogramm beträgt, lassen sich in elektrischen Feldern auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Auch die Bewegung von Elektronen in Kristallen folgt dieser Gesetzmäßigkeit, sofern die elektrischen Felder klein sind. In diesem Regime besitzt das Kristallelektron eine Masse, die nur einen Bruchteil der Masse des freien Elektrons beträgt.
Wilhelm Kühn, Michael Wörner, Klaus Reimann und Thomas Elsässer vom MBI haben jetzt gezeigt, dass Kristallelektronen in extrem hohen elektrischen Feldern ein völlig anderes Verhalten zeigen und ihre Masse sogar negative Werte annimmt. Wie sie in der neuesten Ausgabe von Physical Review Letters 104, 146602 (2010)berichten, wurde das Elektron zunächst in einer extrem kurzen Beschleunigungphase von nur 100 Femtosekunden = 0,000 000 000 000 1 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von 4 Millionen Stundenkilometern gebracht. Danach bremst das Elektron in einem ähnlichen Zeitraum ab und kehrt dann seine Bewegungsrichtung sogar um. Diese der Kraft entgegengerichtete Beschleunigung lässt sich nur durch eine negative träge Masse des Teilchens erklären.

In den Experimenten werden Elektronen in dem Halbleiterkristall Galliumarsenid durch einen extrem kurzen elektrischen Impuls beschleunigt, dessen Feldstärke 30 Millionen Volt pro Meter beträgt. Gleichzeitig wird mit hoher Präzision die Geschwindigkeit der Elektronen als Funktion der Zeit gemessen. Der Zeitraum des elektrischen Impulses beträgt nur 300 Femtosekunden. Diese extrem kurze Dauer ist erforderlich, da sonst der Kristall zerstört werden kann.

Dieses neue Ergebnis stimmt mit Berechnungen überein, die der Nobelpreisträger Felix Bloch vor mehr als 80 Jahren durchführte. Es eröffnet einen bisher nicht zugänglichen Bereich des Ladungstransports, der neue Perspektiven für zukünftige Bauelemente der Mikroelektronik aufzeigt. Die hier beobachteten Bewegungsfrequenzen liegen im Terahertzbereich (1 THz = 1000 GHz = 1012 Hz) und damit etwa 1000 mal höher als die Taktrate der neuesten PC Generation.
s. auch Pressemitteilung Forschungsverbund

 
     
 

Olga Smirnova erhält den Karl-Scheel-Preis 2010

5. Februar 2010

Karl-Scheel MedailleDr. Olga Smirnova, Leiterin der Juniorgruppe Theorie "Attosecond multielectron dynamics in molecules" am MBI, erhält den Karl-Scheel-Preis des Jahres 2010. Der bedeutendste Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin (PGzB) wird für eine herausragende, wissenschaftliche Arbeit vergeben, die in der Regel nach der Promotion entstanden sein soll, und ist mit 5.000 € dotiert. Die Preisverleihung findet am Freitag, den 25. Juni 2010, ab 17:15 Uhr im Magnus-Haus (Berlin, Kupfergraben) im Rahmen der jährlichen Karl Scheel Feier der PGzB statt. Mehr zum Preis ...

Der Geheime Regierungsrat Dr. Ing. h.c. Karl Scheel (1866-1936) war ein Berliner Physiker. Von 1913 bis 1931 war er Leiter der physikalisch-technischen Abteilung der Physikalisch Technischen Reichsanstalt (heute PTB).  Er war Herausgeber verschiedener Publikationen, darunter „Landolf-Börnstein: Physikalisch-Chemische Tabellen“ (mit Walther Roth), Handbuch der Physik“ (mit Geiger) und  „Physikalisches Handwörterbuch“ (mit Berliner). Aus seiner Hinterlassenschaft an die Physikalische Gesellschaft zu Berlin wird u.a. der jährliche Karl-Scheel-Preis im Rahmen einer Gedächtnisfeier vergeben.

Die 1845 gegründete Physikalische Gesellschaft zu Berlin (PGzB) ist einer der ältesten wissenschaftlichen Vereine in Deutschland. Sie war zusammen mit anderen regionalen Gesellschaften Vorgängerin der 1963 gegründeten Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) und ist heute einer deren Regionalverbände.

 
     
 

Moleküle in Echtzeit – wie Wasserstoffbrücken Struktur und Funktion bestimmen

5. Januar 2010

ercProf. Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin erhält vom Europäischen Forschungsrat (ERC) einen „Advanced Grant“ in Höhe von 2,49 Millionen Euro. Ziel des ausgezeichneten Forschungsprojekts ist die Aufklärung extrem schneller Prozesse, die die Eigenschaften von Wasserstoffbrücken in molekularen Systemen bestimmen.

Thomas Elsässer ist einer der international führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Erforschung ultraschneller Prozesse in kondensierter Materie. Sein Projekt dient der Aufklärung molekularer Strukturänderungen auf der Längenskala einer chemischen Bindung und auf der ultrakurzen Zeitskala molekularer Bewegungen. Es schlägt damit eine Brücke zwischen Physik, Chemie und Biologie. Die „ERC Advanced Grants“ werden für herausragende Forschungsprojekte renommierter Wissenschaftler aus ganz Europa vergeben und sind heiß begehrt.

Wasserstoffbrücken sind als schwache chemische Bindungen eine der fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur. Sie bestimmen einerseits die Struktur biologischer Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure (DNS), des Trägers der genetischen Information in der Zelle. Andererseits unterliegen Wasserstoffbrücken auf Grund ihrer geringen Bindungsstärke Fluktuationen, die beispielsweise in Wasser zu extrem schnellen Veränderungen in der Anordnung der Wassermoleküle führen. Dabei werden Wasserstoffbrücken immer wieder gebrochen und neu geformt. Trotz intensiver Forschung ist die strukturelle Dynamik von Wasserstoffbrücken, die wesentlich im Femtosekundenbereich abläuft (1 Femtosekunde = 10-15 s = 1 Millionstel einer Milliardstel Sekunde), erst in Ansätzen bekannt.
Im Rahmen des ausgezeichneten Projekts werden neuartige Methoden der Ultrakurzzeitoptik vom Infrarot- bis zum Röntgenbereich für die Untersuchung von Wasserstoffbrücken eingesetzt. Ziel ist die Bestimmung molekularer Strukturen in Echtzeit, d.h. molekulare Prozesse werden mit ultrakurzen Lichtimpulsen ausgelöst und verfolgt. Mit Röntgenimpulsen, deren Wellenlänge ungefähr der Länge einer chemischen Bindung entspricht, lässt sich dabei direkt eine Abfolge von "Schnappschüssen" der Molekülstrukturen aufnehmen. Infrarotimpulse geben Einblick in lokale Bewegungen und Kopplungen molekularer Gruppen. In den Experimenten wird die Wechselwirkung von DNS-Molekülen mit ihrer wässrigen Umgebung untersucht, d.h. die Kopplung von Wassermolekülen an verschiedene Einheiten der DNS-Doppelhelixstruktur, die Fluktuationen der Wasserhülle um die DNS und die Rolle des Wassers für die Umverteilung und den Transport von Energie aus der DNS in ihre Umgebung. Da Wasserstoffbrücken bei nahezu allen biochemischen Reaktionen eine wichtige Rolle spielen, kommt den Ergebnissen eine universale Bedeutung zu. In einem weiteren Projektteil werden in wasserstoffverbrückten molekularen Kristallen Strukturen bestimmt, die durch die Umverteilung von Ladungen und den Transport von Protonen entstehen. Diese elementaren chemischen Prozesse sind entscheidend für die elektrischen Eigenschaften der Kristalle, die als Ferroelektrika Anwendungspotential für neuartige elektronische Bauelemente besitzen.

Informationen zur Person Thomas Elsässer sind unter http://staff.mbi-berlin.de/elsasser/ zu finden.

   
   

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