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Archiv: Highlights am MBI
Highlights 2011
 
Highlights im Jahr 2011
 

Wie schnell entsteht der elektrische Widerstand?

16. Dezember 2011

Forscher am Max-Born-Institut in Berlin beobachteten die extrem schnelle Entwicklung des elektrischen Widerstandes in einem Halbleiter, indem sie die Bewegung der Elektronen in Echtzeit verfolgten.

Als Sie das erste Mal von elektrischem Strom hörten, haben Sie sich vielleicht gefragt, wie sich die Elektronen in einem Festkörper vom negativen zum positiven Anschluss bewegen. Es ist im Prinzip möglich, dass die Elektronen durch den Festkörper "fliegen", ohne dass sie durch die Atome oder andere Ladungen im Material beeinflusst werden. Unter normalen Bedingungen geschieht dies nicht, da die Elektronen mit den schwingenden Atomkernen oder mit Störstellen zusammenstoßen. Typisch passieren solche Stöße nach einer extrem kurzen Zeit, ca. 100 Femtosekunden (10-13 Sekunden, ein Zehntel einer billionstel Sekunde). Damit ist die Elektronenbewegung im Material wie eine Bewegung durch eine dichte Menschenmenge, nicht wie ein Lauf eine leere Strasse entlang. Deshalb ist eine typische Elektronengeschwindigkeit nur 1 m/h (nicht km/h!), langsamer als eine Schnecke.

Obwohl die Elektronen im Material sehr häufig anstoßen, benötigen solche Stöße eine endliche Zeit. Wenn man sich durch eine Menschenmenge drängelt, gibt es dort manchmal kleine leere Bereiche, in denen man schneller gehen kann. Wenn man die Elektronen bei ihrer Bewegung auf einer sehr schnellen (Femtosekunden) Zeitskala beobachtet, würde man erwarten, dass die Elektronen nach dem Einschalten der Batterie für sehr kurze Zeit ungestört durch das Material fliegen, bevor sie an irgendwas anstoßen. Das ist genau, was Forscher am Max-Born-Institut in Berlin kürzlich getan haben und worüber sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters [Band 107, 256602 (2011)] berichten. Extrem kurze Pulse von Terahertz Licht (1 Terahertz = 1012 Hz, 1 Billion Schwingungen pro Sekunde) wurden anstelle einer Batterie benutzt (Licht hat wie eine Batterie ein elektrisches Feld), um optisch erzeugte freie Elektronen in einem Stück Galliumarsenid zu beschleunigen. Die so beschleunigten Elektronen erzeugen ihrerseits ein weiteres elektrisches Feld. Wenn man dieses Feld mit Femtosekunden-Zeitauflösung misst, kann man daraus genau erkennen, was die Elektronen tun. Die Forscher sahen, dass die Elektronen direkt nach dem Einschalten des elektrischen Feldes ungestört beschleunigt wurden, wohingegen sich der Einfluss der Stöße erst nach etwa 300 Femtosekunden bemerkbar machte.
In dem beigefügten Film zeigen wir, was in dem Galliumarsenidkristall passiert. Elektronen (blaue Kugeln) und Löcher (rote Kugeln) zeigen zufällige Wärmebewegungen, bevor der Terahertz-Puls die Probe trifft. Das elektrische Feld (grüner Pfeil) beschleunigt Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Im Entstehen des elektrischen Widerstands wird diese Bewegung abgebremst. Dies führt zu einem aufgeheizten Elektron-Loch-Gas, das heißt zu einer schnelleren Wärmebewegung.

Diese Experimente ermöglichten es den Forschern festzustellen, welche Art Stöße hauptsächlich für den elektrischen Widerstand verantwortlich ist. Interessanterweise fanden sie heraus, dass die wichtigsten Stoßpartner nicht atomare Schwingungen sind, sondern positiv geladene Teilchen, sogenannte Löcher. Ein Loch oder Defektelektron ist ein leerer Elektronenzustand im Valenzband des Halbleiters; es hat eine positive Ladung und eine etwa 6-mal so große Masse wie das Elektron. Die optische Anregung eines Halbleiters erzeugt gleichzeitig freie Elektronen und Löcher. Diese werden durch den Terahertz Puls, unsere Batterie, in entgegengesetzte Richtungen bewegt. Da die Löcher verglichen mit den Elektronen eine viel größere Masse haben, bewegen sie sich nur langsam, aber sie stehen den Elektronen im Weg, wodurch diese abgebremst werden.

Das so gewonnene Verständnis der Prozesse, die zu einer Abbremsung von Elektronen führen, kann zukünftig zu effizienterer und schnellerer Elektronik führen und vielleicht zu neuen Tricks, den elektrischen Widerstand zu verringern.

Weitere Informationen:

Dr. Michael Wörner, Tel.: 030 6392 1470

Prof. Dr. Klaus Reimann, Tel. 030 6392 1476

Prof. Dr. Thomas Elsässer, Tel. 030 6392 1400

 
   
 

Carl-Ramsauer-Preis 2011 geht zweimal ans Max-Born-Institut

14. November 2011

ramsauer-smallDr. Christian Eickhoff (auf dem Foto der 3. v. l.) und Dr. Wilhelm Kühn (auf dem Foto der 2. v. l.) sind zwei der diesjährigen Preisträger des Carl-Ramsauer-Preises der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin (PGzB). Christian Eickhoff wird für seine Dissertation an der Freien Universität Berlin ausgezeichnet, Wilhelm Kühn promovierte an der Humboldt-Universität zu Berlin; die Arbeiten dazu führten die beiden Forscheram Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) durch. Der Preis wird am 16. November2011 an der Freien Universität, Fachbereich Physik, verliehen.

Dr. Christian Eickhoff erhält den Preis für seine Dissertation mit dem Titel „Zeitaufgelöste Zweiphotonen-Photoemission an der Si(001)-Oberfläche: Dynamik heißer Elektronen und zweidimensionaler Fano-Effekt“. Er untersuchte die Si(100)-Oberfläche. Silizium ist der Grundbaustein der Halbleiterindustrie. Die voranschreitende Miniaturisierung und Effizienzsteigerung fordern ein grundlegendes Verständnis der elektronischen und dynamischen Eigenschaften der Ladungsträger an der Siliziumoberfläche.

Eickhoff konstruierte ein komplexes Experiment, bestehend aus einem Lasersystem mit weit abstimmbaren Photonenenergien und einer Ultrahochvakuumanlage mit zweidimensionaler (2D) Photoelektronendetektion. Mit einer Zeitauflösung von wenigen zehn Femtosekunden (1 fs = 1015 sec) verfolgte er die Dynamik optisch angeregter Elektronen in den Oberflächenzuständen sowie im Leitungsband von Silizium und untersuchte den Einfluss elastischer und inelastischer Streuprozesse auf Energierelaxation und Oberflächenrekombination.

Dabei konnte er erklären, wie es durch die optische Anregung der Ladungsträger zu komplexen zweidimensionalen Interferenzphänomenen kommt, die durch Fano-Resonanzen im Anfangs- und Zwischenzustand beschrieben werden können. Zum anderen zeigte er in seiner Arbeit, warum die erhöhte Temperatur heißer Elektronen im Leitungsband über eine ungewöhnlich lange Zeitspanne von vielen Pikosekunden (1 ps = 1012 sec) bestehen bleibt. Die Extraktion heißer Elektronen wird beispielsweise für die Effizienzsteigerung in Solarzellen der dritten Generation diskutiert.

Dr. Wilhelm Kühn hat in seiner Dissertation eine neue Methode der nichtlinearen Spektroskopie im  Terahertz-Bereich (1 THz = 1012 Hz) entwickelt und in der Festkörperphysik eingesetzt. Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Materie wird dabei in zwei unabhängigen Zeitdimensionen gemessen, um daraus 2D Spektren in der Frequenzdomäne abzuleiten. Diese Spektren geben Aufschluss über die Kopplung verschiedener Anregungen des untersuchten Systems und ihre zeitliche Entwicklung.

THz-Wellen schwingen im Vergleich zu sichtbaren Licht sehr „langsam“, eine Schwingungsperiode dauert 250 Femtosekunden. Durch Fokussierung lassen sich hohe elektrische Felder (ca. 300 kV/cm) erreichen und zur Beschleunigung von Ladungsträgern in Festkörpern einsetzen. Kühn konnte daher mit der neuen Methode die Transporteigenschaften von Elektronen im Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) untersuchen.

Dabei fand er, dass sich stark beschleunigte Elektronen nahezu reibungsfrei ("ballistisch") durch den GaAs Kristall bewegen. Bei sehr hohen Bewegungsenergien werden sie jedoch abgebremst und sogar in die Gegenrichtung beschleunigt weil ihre effektive Masse negativ wird. Die resultierenden kreisenden Elektronenbewegungen, sog. Blochoszillationen, wurden so erstmals in einem Volumenkristall nachgewiesen.

Kühn hat im nächsten Schritt ein Halbleiter-Modellsystem mit einer überaus starken Kopplung der Elektronen an das Kristallgitter untersucht. Er konnte durch 2D-Spektroskopie zeigen, dass aus Elektronen und Gitterschwingungen ein neues Teilchen, das Polaron, entsteht. Seine Ergebnisse, die durch theoretische Berechnungen bestätigt wurden, zeigen außerdem, wie und in welche Kanäle die Energie des Elektrons in das Kristallgitter abfließt.

Weitere Informationen:

Dr. Christian Eickhoff, Freie Universität Berlin, Tel.: 030 838-56047
Betreuer: Prof. Martin Weinelt, Freie Universität Berlin, Tel.: 030 838-56060

Dr. Wilhelm Kühn, Tel.: 0163-7356544
Betreuer: Prof. Thomas Elsässer, Max-Born-Institut, Tel.: 030 6392 1401

Physikalische Gesellschaft zu Berlin, Geschäftsführer Prof. Dr. Holger Grahn,
Tel. 030 20377-318

 
   
 

Visualisierung des Kramers-Henneberger Atoms

15. September 2011

Heutzutage sind Laserpulse mit elektrischen Feldern die vergleichbar oder höher sind, als die elektrostatischen Kräfte, die Valenzelektronen in Atomen oder Molekülen binden, zu Routinewerkzeugen mit zahlreichen Anwendungen geworden. Dazu zählen die Laserbeschleunigung von Elektronen und Ionen, die Erzeugung kurzwelliger Emission in Plasmen oder Clustern, Laserfusion, und viele mehr. Intensive Felder werden auch während der Laserfilamentation in der Luft oder durch lokale Feldverstärkung in der Nähe von Metall-Nanopartikeln erzeugt. Zunächst würde man erwarten, dass diese starken Felder immer zu einer schnellen Ionisation der Atome oder Moleküle führen. Vor kurzem beobachtete jedoch eine Gruppe von Experimentatoren aus Abteilung B des MBI die Beschleunigung von neutralen Atomen von bis zu 1015 m/s² während der Wechselwirkung dieser Atome mit sehr intensiven Infrarot-Laserpulsen [1]. Demnach blieb ein wesentlicher Anteil der Atome während des Pulses stabil. Es stellt sich nun die Frage nach der Struktur dieser exotischen laser-dressed Atome, die superatomare Felder überleben. Kann diese mit modernen experimentellen Methoden direkt abgebildet werden? Mit ab-initio Berechnungen für das Kaliumatom zeigen wir [2], wie die elektronische Struktur dieser “laser-dressed” Atome eindeutig identifiziert, und in winkelaufgelösten Photoelektronenspektren mittels üblicher Femtosekunden-Laserpulsen und velocity-map-imaging-Methoden abgebildet werden kann (siehe bspw. aktuelle Experimente [3,4]). Wir stellen fest, dass die elektronische Struktur dieser Atome den von W. Henneberger vor über 40 Jahren formulierten theoretischen Vohersagen [5] entspricht, die bisher experimentell unbestätigt blieben und dadurch nicht allgemein akzeptiert. Wir zeigen weiterhin, dass sich das sogenannte Kramers-Henneberger (KH) Atom bildet, und sogar noch vor dem Einsetzen des Stabilisierungsbereichs detektiert werden kann. Unsere Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit der Visualisierung und Kontrolle der Dynamik gebundener Elektronen in starken Laserfeldern und der Überprüfung ihres Einflusses auf verschiedene strong-field Effekte, einschließlich der mikroskopischen Beschreibung von Kerr-Nichtlinearitäten hoher Ordnung und deren Rolle für die Laserfilamentation [6].

kh-atom

Abb. 1 Direkte Visualisierung des exotischen Kramers-Henneberger Atoms in einem Photoelektronenspektrum. Winkel- und energieaufgelöstes Photoelektronenspektrum von Kalium  mit einem 800 nm, 1,4·1013 W/cm² und 65 fs Laserpuls. (pz und pρ sind die Elektronenimpulse entlang und senkrecht zur Laserpolarisationsachse.) Bild anklicken zum Vergrößern.

1. Eichmann et al., “Acceleration of neutral atoms in strong short-pulse laser fields”, Nature, 461, 1261-1264 (2009).
2. Felipe Morales, Maria Richter, Serguei Patchkovskii and Olga Smirnova,
“Imaging the Kramers-Henneberger atom”, PNAS, doi:10.1073/pnas.1105916108.
3. Wollenhaupt M., Krug M., Köhler J., Bayer T., Sarpe-Tudoran C. & Baumert T., “Photoelectron angular distributions from strong-field coherent electronic excitation”, Appl. Phys. B, 95, 245  (2009).
4. Schuricke M., Zhu G., Steinmann J., Simeonidis K., Ivanov I., Kheifets A., Grum-Grzhimailo A. N., Bartschat K., Dorn A. & Ullrich J., “ Strong-field ionization of lithium”, Phys. Rev. A, 83, 023413 (2011).
5. W. Henneberger, “Perturbation method for atoms in intense laser fields”, Phys. Rev. Lett., 21, 838 (1968).
6. Béjot et al., “Higher-Order Kerr Terms Allow Ionization-Free Filamentation in Gases”, Phys. Rev. Lett., 104, 103903 (2010).

Weitere Informationen:

Ansprechpartner: F. Morales, M. Richter, O. Smirnova, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

 
   
 

Elektronen und Gitterschwingungen – ein starkes Team im Nanokosmos

4. August 2011

nanokosmos Die Halbleiterelektronik beruht auf der Erzeugung, Steuerung und Verstärkung elektrischer Ströme in Bauelementen wie dem Transistor. Träger des elektrischen Stroms sind frei bewegliche Elektronen, die mit hoher Geschwindigkeit durch das Kristallgitter des Halbleiters wandern. Dabei verlieren sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie, indem sie die Atome des Kristallgitters in Schwingungen versetzen. In Halbleitern wie Galliumarsenid werden die positiv und negativ geladenen Ionen des Kristallgitters ausgelenkt und schwingen mit einer extrem kurzen Periodendauer von 100 fs (1 fs = 10-15 s = 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) gegeneinander. Im Mikrokosmos der Elektronen und Ionen ist die Schwingungsbewegung quantisiert. Das bedeutet, dass die Energie dieser Schwingung nur ein ganzzahliges Vielfaches eines Schwingungsquants, eines sog. Phonons, sein kann. Bei der Wechselwirkung eines Elektrons mit dem Kristallgitter, der sog. Elektron-Phonon-Wechselwirkung, werden Energiepakete in Form einzelner Schwingungsquanten übertragen.

Wie Berliner Forscher in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichten, hängt die Stärke der Elektron-Phonon-Wechselwirkung empfindlich von der Größe des Elektrons, d.h. von der räumlichen Ausdehnung seiner Ladungswolke ab. Experimente im Zeitbereich der Phonon-Schwingungsperiode zeigen, dass für eine reduzierte Ausdehnung der Elektronenwolke eine bis zu 50fach verstärkte Wechselwirkung auftritt. Hierdurch können die Bewegungen der Elektronen und der Ionen so stark aneinander gekoppelt werden, dass die Einzelbewegungen nicht mehr erkennbar sind. Elektron und Phonon bilden ein neues Quasiteilchen, ein Polaron.

Um dieses Phänomen sichtbar zu machen, verwendeten die Wissenschaftler Nanostrukturen aus Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid, in denen die Energien der Elektronen und der Ionenbewegung aneinander angepasst waren. Die Kopplung der Bewegungen wurde mit einem neuen optischen Verfahren sichtbar gemacht. Das System wird durch mehrere ultrakurze Lichtimpulse im Infraroten angeregt und das von den bewegten Ladungen abgestrahlte Lichtfeld wird in Echtzeit gemessen. Die Messungen ergeben sog. zweidimensionale nichtlineare Spektren (s. Abb.), in denen gekoppelte optische Übergänge getrennt erscheinen und aus denen sich die Kopplungsstärke zwischen Elektronen und Phononen ableiten lässt. Aus der Auswertung der Messdaten ergibt sich die Ausdehnung der Elektronen-Ladungswolke, die nur 3-4 Nanometer (1 Nanometer = 10-9 m = 1 Milliardstel Meter) beträgt. Darüber hinaus beweist die neue Methode erstmals den starken Einfluss der Elektron-Phonon Kopplung auf die optischen Spektren des Halbleiters. Dies bietet interessante Perspektiven für die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente mit maßgeschneiderten optischen und elektrischen Eigenschaften

Weitere Informationen:

Veröffentlichungen: W. Kuehn et al., Phys. Rev. Lett. 107 (6), 067401(5),(2011); J. Phys. Chem. B 115, 5448 (2011).

Ansprechpartner: K. Reimann, M. Wörner, T. Elsässer, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030 6392 1470

 
     
 

Verrückte Spektroskopie trickst Quantenphysik aus

7. Juli 2011

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts haben eine neuartige spektroskopische Methode entwickelt, welche gleichzeitig die atomare Zusammensetzung und die räumliche Struktur von Molekülen beobachtet. Sie berichten über ihre Arbeit in der Online-Ausgabe von Science.

Verschiedene Materialeigenschaften gleichzeitig zu betrachten, ist in unserem Alltag selbstverständlich: Bereits ein kleines Kind kann Bauklötze nach Farbe und Form gleichzeitig sortieren. In der Welt der Atome und Moleküle ist das nicht so einfach möglich, denn eine Gesetzmäßigkeit der Quantenphysik besagt, dass man eine Eigenschaft nicht messen kann ohne sie zu verändern.

Um Eigenschaften von Molekülen zu bestimmen, steht Wissenschaftlern heute eine Vielzahl an spektroskopischen Methoden zu Verfügung. So lassen sich beispielsweise mit der Rotationsspektroskopie molekulare Strukturen voneinander unterscheiden, weil Moleküle mit charakteristischen Frequenzen rotieren. Die Analyse mit einem Massenspektrometer „wiegt“ Moleküle und ihre Bruchstücke und gibt so Auskunft über ihre atomare Zusammensetzung. Solche Messungen konnten Forscher bislang nur einzeln oder nacheinander durchführen, jedoch nicht gleichzeitig. Die Correlated Rotational Alignment Spectroscopy, kurz CRASY, erlaubt es nun, verknüpfte („correlated“) Eigenschaften von molekularer Struktur und atomarer Zusammensetzung über Rotations- und Massenspektroskopie gleichzeitig zu bestimmen.

crasy-waage
CRASY Experimente können Eigenschaften untrennbarer
Moleküle ermitteln, so z.B. die Struktur und Masse zweier
CS2 Isotope im Bild.

Die Forscher bedienen sich dazu eines experimentellen Tricks: Sie regen die Moleküle zunächst mit einem ultrakurzen Laserimpuls zum Rotieren an. Zeitversetzt schicken sie einen zweiten Laserpuls hinterher, der aus dem Molekül ein Elektron herausschießt, das Molekül also ionisiert. Die Drehung des Moleküls im Raum („rotational alignment“) beeinflusst die Wahrscheinlichkeit, mit der es ionisiert wird. Dieses Experiment wiederholen die Forscher vielfach, wobei die Moleküle unterschiedlich viel Zeit zum Rotieren haben. Auf diese Weise wird die Rotationsbewegung der Moleküle auf die Anzahl erzeugter Ionen und Elektronen abgebildet. Das Gewicht der entstehenden Molekülionen wird mit einem Massenspektrometer bestimmt, die Rotationsfrequenz lässt sich dann aus der zeitabhängigen Anzahl ionisierter Moleküle berechnen. Die Forscher überlisten so die Grenzen der einzelnen spektroskopischen Methoden und erhalten gekoppelte Informationen über Struktur und Masse.

„Mit CRASY bekommen wir viel mehr Informationen als mit herkömmlichen Methoden, denn wenn man zwei Moleküleigenschaften gleichzeitig misst, verdoppelt sich der Informationsgehalt nicht nur, sondern er steigt ins Quadrat“, sagt Dr. Thomas Schultz vom MBI. Dies erlaube die Untersuchung von komplexeren Systemen. Die Forscher haben mit ihrer Methode zunächst die Rotationskonstanten für zehn stabile Isotope einer natürlichen Kohlenstoffdisulfid-Probe (CS2) ermittelt. Mit einem einzigen Experiment erfassten die Forscher damit alle bekannten und drei bislang unbekannte Molekülkonstanten. „Im Unterschied zu herkömmlicher Rotationsspektroskopie brauchen wir dazu nur wenig Material und unsere Proben können auch verunreinigt sein“, so Schultz weiter. In der Zukunft wollen die Forscher diese Technik einsetzen, um Reaktionen in komplexen Biomolekülen, wie etwa DNA-Basen, zu verstehen.

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Thomas Schultz, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

 
     
 

Elektronen-Ping-Pong in der Nanowelt

5. Mai 2011

PingPong figure1 Einem internationalen Forscherteam ist erstmals die Kontrolle und Beobachtung stark beschleunigter Elektronen an Nanokugeln mit extrem kurzen und intensiven Laserpulsen gelungen.
Wenn starkes Laserlicht auf Elektronen in Nanoteilchen trifft, die aus einem Verbund von vielen Millionen Atomen bestehen, können Elektronen freigesetzt und stark beschleunigt werden. Einen solchen Effekt in Nanokugeln aus Quarz hat jetzt ein internationales Forscherteam im Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck Institut für Quantenoptik aufgezeichnet. Die Forscher beobachteten, wie sich im Laserlicht starke elektrische Felder (Nahfelder) in der Nähe der Nanoteilchen aufbauten und Elektronen freisetzten - die Nanoteilchen werden im Laserlicht ionisiert. Mit Hilfe der Nahfelder und kollektiver Wechselwirkungen der entstandenen Ladungen konnten freigesetzte Elektronen mit Licht soweit beschleunigt werden, dass sie die Grenzen der Beschleunigung, die an einzelnen Atomen bisher beobachtet wurde, weit überstiegen. Die genauen Bewegungen der Elektronen lassen sich präzise über das elektrische Feld des Laserlichtes steuern. Die neuen Erkenntnisse dieses durch Licht kontrollierten Prozesses könnten helfen, sehr energetische extreme ultraviolette Strahlung (XUV) zu erzeugen. Durch die Experimente und ihre theoretische Modellierung, die die Wissenschaftler im Magazin „Nature Physics“ beschreiben, ergeben sich auch neue Perspektiven für die Entwicklung ultraschneller, lichtkontrollierter Nanoelektronik, die im Vergleich zu heutiger Elektronik um bis zu eine Million mal schneller arbeiten könnte.

Der Vorgang der Elektronenbeschleunigung erinnert an einen kurzen Ballwechsel beim Tischtennis. Aufschlag, Rückgabe und noch ein schneller Schlag, der zum Punktgewinn führt. So ähnlich geht es auch zu, wenn Elektronen in Nanopartikeln mit Lichtpulsen in Berührung kommen. Einem internationalen Team, an dem Prof. Marc Vrakking vom Max-Born-Institut (MBI) beteiligt ist, ist nun die Beobachtung der Mechanismen und ihrer Auswirkungen eines solchen Ping-Pong-Spiels der Elektronen in Nanoteilchen unter der Einwirkung starker Laserlicht-Felder gelungen.
PingPong figure2 Die Wissenschaftler konnten damit erstmals das Phänomen dieses direkten elastischen Rückstoßes in einem kollektiven Nanoverbund beobachten und detailliert aufzeichnen. Für ihre Experimente verwendeten die Forscher polarisiertes Licht. Bei polarisiertem Licht schwingen die Lichtwellen lediglich entlang einer Achse und nicht, wie bei normalem Licht, in alle Richtungen. „Intensive Strahlungspulse können die Nanopartikel verändern oder zerstören. Daher haben wir isolierte Nanopartikel in einem Strahl präpariert, so dass für jeden Laserpuls frische Nanopartikel verwendet wurden. Dies ist entscheidend für die Beobachtung der hochenergetischen Elektronen“, erläutert Prof. Eckart Rühl von der Freien Universität Berlin.
Die beschleunigten Elektronen verließen die Atome in unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Energien. Diese Flugbahnen zeichneten die Wissenschaftler in einem dreidimensionalen Bild auf, mit dem sie die Energien und die Emissionsrichtungen der Elektronen bestimmten. „Die Elektronen werden nicht nur durch das laserinduzierte Nahfeld beschleunigt, welches selbst schon deutlich stärker als das Laserfeld ist, sondern auch durch Wechselwirkungen mit anderen Elektronen, die aus dem Nanoteilchen ausgelöst werden“, beschreibt Prof. Matthias Kling vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching das Experiment. Schließlich spielt auch die positive Aufladung der Nanopartikel-Oberfläche eine Rolle. Da sich alle Beiträge addieren, kann die Energie der Elektronen sehr hoch sein. „Der Vorgang ist komplex, zeigt aber, dass es in der Wechselwirkung von Nanoteilchen mit starken Laserfeldern noch sehr viel zu entdecken gibt“, ergänzt Kling.
Bei den Elektronenbewegungen können auch Pulse von extremem ultravioletten Licht entstehen, nämlich immer genau dann, wenn die Elektronen wieder auf die Oberfläche treffen, aber statt abzuprallen, absorbiert werden und dabei Licht abgeben. Extremes ultraviolettes Licht ist vor allem für die biologische und medizinische Forschung interessant.
„Nach unseren Erkenntnissen können über die Rekombination der Elektronen an den Nanoteilchen Energien der abgegebenen Photonen erreicht werden, die bis zu siebenfach über dem Limit liegen, das bisher für einzelne Atome beobachtet wurde“, erklärt Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock. Der Nachweis der kollektiven Beschleunigung der Elektronen mit Hilfe der Nanoteilchen bietet großes Potential. „Hieraus ergeben sich vielversprechende neue Anwendungsmöglichkeiten in einer zukünftigen, lichtkontrollierten ultraschnellen Elektronik, die um bis zu eine Million mal schneller arbeiten könnte, als konventionelle Elektronik“, ist Matthias Kling überzeugt.


Weitere Informationen:

Kontakt: Prof. Dr. Marc Vrakking, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Originalveröffentlichung::

Controlled near-field enhanced electron acceleration from dielectric nanospheres with intense few-cycle laser fields
Sergey Zherebtsov, Thomas Fennel, Jürgen Plenge, Egill Antonsson, Irina Znakovskaya, Adrian Wirth, Oliver Herrwerth, Frederik Süßmann, Christian Peltz, Izhar Ahmad, Sergei A. Trushin, Vladimir Pervak, Stefan Karsch1, Marc J.J. Vrakking, Burkhard Langer, Christina Graf, Mark I. Stockman, Ferenc Krausz, Eckart Rühl, Matthias F. Kling
Nature Physics, 24. April, doi: 10.1038/NPHYS1983


Abbildung 1:
Mechanismus der Beschleunigung von Elektronen an Nanokugeln aus Glas. Das Laserfeld (rote Welle) führt zur Freisetzung von Elektronen (grüne Teilchen), die dann vom Laserfeld vom Nanoteilchen weg und anschließend wieder zurückbeschleunigt werden.
Nach einem elastischen Stoß mit der Oberfläche der Nanokugel werden schließlich sehr hohe Energien für die freigesetzten Elektronen erreicht. Die Abbildung zeigt drei Momentaufnahmen der Beschleunigung (von links nach rechts): 1) die Elektronen werden zum Stillstand gebracht und kehren wieder zur Oberfläche zurück, 2) die Elektronen stoßen elastisch mit der Oberfläche zusammen und prallen ab und 3) die Elektronen werden sehr stark von der Nanokugel wegbeschleunigt.

Abbildung 2:
Verstärkte Nahfelder an einer Nanokugel aus Glas. Die Nahfelder auf der Polachse des Teilchens sind zeitabhängig dargestellt, wobei die Zeit, wie in der dargestellten Welle, von rechts unten nach links oben verläuft. Entlang der Polarisationsachse des Lasers (entlang der Wellenkämme und Täler) zeigen die Felder eine deutliche Asymmetrie in ihrer Amplitude. Diese Asymmetrie führt zu einem höheren Energiegewinn der Elektronen auf einer Seite des Nanoteilchens im Vergleich zur anderen. Im dargestellten Fall entstehen die schnellsten Elektronen durch die maximale Feldüberhöhung auf der Rückseite des Teilchens. Die Energie der Elektronen und ihre Emissionsrichtungen werden im Experiment bestimmt.
Beide Bilder: Christian Hackenberger/LMU

 
     
 

Wilhelm-Ostwald-Nachwuchspreis 2010

16. Februar 2011

Die Wilhelm-Ostwald-Gesellschaft zu Großbothen e.V., die Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie und die Gesellschaft Deutscher Chemiker vergeben den Wilhelm-Ostwald-Nachwuchspreis 2010 an Herrn Dr. Ingo Barth (Max-Born-Institut Berlin) für seine außergewöhnliche Dissertation: Quantum control of electron and nuclear circulation, ring currents, and induced magnetic fields in atoms, ions and molecules by circularly polarized laser pulses.
Ingo Barth hat an der FU Berlin im Arbeitskreis von Prof. Dr. Jörn Manz promoviert. Er hat in seiner Dissertation die quantentheoretischen Grundlagen zur Anregung von Ringströmen und induzierten Magnetfeldern in Molekülen oder molekularen oder atomaren Ionen durch zirkular polarisierte Laserpulse entwickelt. Das Hauptziel ist die Erzeugung stationärer elektronischer und nuklearer Ringströme in angeregten entarteten Elektronen- und Vibrationszuständen. Der Vorteil der Anregung durch zirkular polarisierte Laserpulse besteht darin, dass sie typischerweise um zwei Größenordnungen effizienter ist, als durch externe Magnetfelder, zusätzlich erlaubt sie die Kontrolle der Ringströme. Herr Barth sagt auch voraus, dass im Zentrum solcher Ringströme gewaltige Magnetfelder herrschen.
Mit dieser Dissertation schlägt Herr Barth im Sinne Ostwalds Brücken von der Theoretischen Chemie und Physikalischen Chemie zur Theoretischen Physik und Experimentalphysik sowie zur Mathematik. Die Ergebnisse sind auch von Bedeutung für Teilgebiete der Organischen Chemie. Die Aussagen der Dissertation von Herrn Barth haben inzwischen neue Forschungsrichtungen in der Organischen Chemie, der Physikalischen Chemie und der Experimentalphysik initiiert.
Erwähnenswert ist, dass Herr Barth als Gehörloser geboren wurde und der erste Gehörlose ist, der in Deutschland in Chemie promoviert hat. Als Dozent der Gebärdensprache hat er einen Brückenschlag zu den Geisteswissenschaften geleistet. Er hat den Wortschatz der Gebärdensprache etwa um 500 Fachbegriffe aus der Theoretischen und Physikalischen Chemie erweitert.
Der Preis ist mit 2.500 Euro dotiert und wird in einer Veranstaltung der Wilhelm-Ostwald- Gesellschaft in Großbothen bei Leipzig, dem Arbeitsort des Nobelpreisträgers für Chemie 1909, Wilhelm Ostwald, am 12. März 2011 verliehen. (Ort: Wilhelm-Ostwald-Park, 04668 Großbothen, Grimmaer Str. 25, Haus Werk)

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Ingo Barth, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

 
     
 

BLiX - Leibniz Applikationslabor Eröffnung

4. Februar 2011

Eröffnung BLiX-Labor Am 4. Februar wurde BLiX, das "Berlin Laboratory for innovative X-ray Technologies" in einer Feierstunde an der Technischen Universität Berlin eingeweiht. BliX, ist ein Applikationslabor im Wissensdreieck von Universität, Forschung und Unternehmen. Es wird gemeinsam vom Institut für Optik und atomare Physik der TU Berlin und dem Max-Born Institut betrieben. Für das MBI erfüllt es die Funktion eines "Leibniz-Applikationslabors".
Angesiedelt ist BLiX an dem von einem Unternehmenskonsortium getragenen Stiftungslehrstuhl für "Analytische Röntgenphysik" (Prof. B. Kanngießer). Auf einer von der TU hochwertig ausgestatteten Fläche von ca. 250 m2 werden moderne Geräte der Röntgenanalytik für Nutzer aus Forschung und Industrie zur Verfügung stehen. Das MBI hat einen neuartigen Scheibenlaser als Treiber für eine hochbrillante Plasma- Röntgenquelle entwickelt und wird ein Labor-Röntgenmikroskop, das Produkt eines BMBF-Verbundprojekts, zu BLiX transferieren. Seitens der TU stehen ein Röntgen-Analysegerät für Kunst-und Kulturgüter sowie ein neuartiges Röntgenspektrometer zur Verfügung. Abgerundet wird das Angebot von einem Seminarraum für Schulungs- und Ausbildungszwecke. Das BLiX Team umfasst zur Zeit 10 Mitarbeiter unter der Leitung von Dr. W. Malzer (TU) und Dr. H. Stiel (MBI).

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Wolfgang Malzer, Technische Universität Berlin
Dr. Holger Stiel, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

   
   

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