Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Attosekunden-Elektronenkatapult

12.08.2015

Ein Team von Physikern und Chemikern der Universität Rostock, vom Labor für Attosekundenphysik der Ludwig-Maximilians-Universität, des Münchner Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ), sowie der Freien Universität Berlin hat die Wechselwirkung von Licht und winzigen Glasteilchen erforscht.

Die Beziehung zwischen starken Laserpulsen und Glas-Nanoteilchen ist eine ganz spezielle und könnte medizinische Methoden verändern, wie Wissenschaftler aus Rostock, München und Berlin herausfanden. Dieses Zusammenspiel aus Licht und Materie untersuchte ein Team von Physikern und Chemikern aus dem Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig Maximilians Universität München (LMU), dem Institut für Physik der Universität Rostock und der Freien Universität Berlin.


Gerichtete Elektronenbeschleunigung an Glas-Nanokugeln. Ein Femtosekunden-Laserpuls (von links kommend) trifft auf ein Glas-Nanokügelchen. Das Licht schlägt Elektronen (grün) aus dem Atomverbund.

Bild: Martin Dulovits/woogieworks

Die Forscher ließen starke Laserpulse mit Nanoglaskügelchen, die aus mehreren Millionen Atomen bestehen, interagieren. Je nachdem, wie viele Atome in den Nanokügelchen zusammengefasst waren, reagierten die Objekte unterschiedlich, und zwar innerhalb von Attosekunden (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde).

In Abhängigkeit ihrer Größe entstehen an der Oberfläche der Glaskügelchen sogenannte Nahfelder, mit denen Elektronen kontrolliert in verschiedene Richtungen ausgesendet werden konnten. Die Forschungsergebnisse könnten langfristig die Methoden bei der Bildgebung in der Medizin und bei der Krebsbekämpfung erweitern. Die Studie wurde in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Wenn starke Lichtpulse auf Nanoteilchen treffen, dann bleibt in den Atomverbünden nichts wie es war. Sobald die Atome das elektromagnetische Feld des Lichts „spüren“, fangen deren Elektronen an zu schwingen: An der Oberfläche der Kügelchen bilden sich so genannte Nahfelder aus. Das sind elektromagnetische Felder mit Abmessungen im Nanometerbereich, die je nach Wellenlänge des eintreffenden Lichts in einer charakteristischen Weise schwingen.

Die LAP-Physiker um Professor Matthias Kling untersuchten Nanoglaskügelchen aus Siliziumdioxid mit Durchmessern zwischen 50 und 550 Nanometern, die in der Gruppe um Professor Eckart Rühl an der Freien Universität Berlin chemisch hergestellt wurden. Auf die Atomverbünde ließen die Wissenschaftler starke, rund vier Femtosekunden lange Laserpulse treffen (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde).

Sobald die Wellen des elektromagnetischen Lichtfeldes die Nanokugeln erfasst hatten, bildeten sich an deren Oberfläche die Nahfelder aus und begannen zu pulsieren. Je größer die vom Licht getroffenen Kügelchen in dem Experiment im Vergleich zu der eingesetzten Laserwellenlänge von 720 Nanometer waren, desto weiter wanderten die Nahfelder von der Polgegend in Richtung der Rückseite der Teilchen und wirken dabei als Elektronenkatapult.

Das konnten die Forscher beobachten indem sie während des Durchgangs des Laserpulses mit Teilchendetektoren die Flugbahnen von Elektronen aufzeichneten, die genau inmitten der Nahfelder von den Nanokügelchen ausgesandt wurden. „Die Energie und Richtung der emittierten Elektronen ist in diesem Fall eng verknüpft mit der räumlichen und zeitlichen Struktur der Nahfelder.

Die Emission von Elektronen selbst ist eine Art Ping-Pong-Spiel an der Oberfläche der Nanokügelchen, das sich mit einer Genauigkeit im Attosekundenbereich steuern lässt.“, erläutert Professor Thomas Fennel von der Universität Rostock. Er führte mit seinem Team Simulationsrechnungen durch, die die mikroskopischen Vorgänge und deren Ablauf aufdecken konnten.

„Die Elektronen verlassen zunächst die Kugeln, werden dann aber wieder in Richtung der Oberfläche zurückgezogen. Dort prallen sie ab und erhalten aus dem Nahfeld einen finalen, starken Impuls, der sie dann endgültig aus dem Nanoteilchen herauslöst.“, ergänzt Professor Matthias Kling.

Da man mit dieser Technik die Richtung der Aussendung von Teilchen über Laserlicht kontrollieren kann, wäre hierfür eine medizinische Anwendung als Langzeitperspektive denkbar, meinen die Wissenschaftler. „Mit der gerichteten Elektronenbewegung könnte man stark gerichtet Röntgenstrahlung für die Bildgebung produzieren.“, erläutert Professor Eckart Rühl.

Verwendet man genügend starke Laserpulse, wäre es auch denkbar, Ionen, also geladene Atome, aus dem Nanoverbund zu lösen und damit stark gerichtete Ionenstrahlung zur Bekämpfung von Tumoren zu erhalten. Ferner könnte sich herausstellen, dass die Technik neue Perspektiven zur Materialverarbeitung jenseits des Beugungslimits eröffnet – etwa um Nanometer große Bereiche von einer Oberfläche abzutragen.

Es ist nach Einschätzung der Wissenschaftler zudem denkbar, dass die Kombination aus starken Lichtpulsen und Nanoteilchen zu einem wichtigen Baustein für die Elektronik der Zukunft werden könnte. Mit der sogenannten lichtwellengesteuerten Elektronik wäre man in der Lage, Datenübertragung und Speicherung mit der Frequenz von Lichtwellen (rund 1015 Schwingungen pro Sekunde) zu betreiben. Das wäre in etwa 100.000 Mal schneller als es gegenwärtig möglich ist. (Thorsten Naeser)

Originalpublikation:
Field propagation-induced directionality of carrier-envelope phase-controlled photoemission from nanospheres.
F. Süßmann, L. Seiffert, S. Zherebtsov, V. Mondes, J. Stierle, M. Arbeiter, J. Plenge, P. Rupp, C. Peltz, A. Kessel, S.A. Trushin, B. Ahn, D. Kim, C. Graf., E. Rühl, M.F. Kling, T. Fennel.
Nature Communications, 12. August 2015, DOI: 10.1038/ncomms8944
(http://dx.doi.org/10.1038/ncomms8944)

Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr. Matthias Kling
Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“, Labor für Attosekundenphysik
Fakultät für Physik, Am Coulombwall 1
85748 Garching, Germany
Tel.: 089 32905 234
E-Mail: matthias.kling@physik.uni-munechen.de

Prof. Dr. Eckart Rühl
Institut für Chemie und Biochemie - Physikalische und Theoretische Chemie
Freie Universität Berlin
Takustr. 3
14195 Berlin
Tel.: 030 / 838-52396
E-Mail: ruehl@zedat.fu-berlin.de

Prof. Dr. Thomas Fennel
Arbeitsgruppe „Theoretische Clusterphysik und Nanophotonik“
Institut für Physik, Universität Rostock
18051 Rostock
Tel.: 0381 498 6815
E-Mail: thomas.fennel@uni-rostock.de

Ingrid Rieck | Universität Rostock
Weitere Informationen:
http://www.uni-rostock.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik