Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rasante Reise durchs Kristallgitter

15.01.2015

Ein Elektron braucht 40 Attosekunden, um eine einzelne Lage von Atomen zu durchqueren

Wie schnell ein Elektron durch die Atomlagen eines Kristallgitters flitzt, hat ein internationales Team um Forscher der Technischen Universität München und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching gemessen. Mithilfe extrem kurzer Laserpulse stoppten die Physiker die Geschwindigkeit:


Elektronen im Blick: Reinhard Kienberger inspiziert die ein Experiment an der Attosekunden-Beamline, mit der er und seine Kollegen die Bewegung von Elektronen untersuchen.

© Thorsten Naeser


Stoppuhr für Elektronen: Ein Laserpuls (rot) und ein extrem-ultravioletter (XUV) Attosekundenpuls (violett) treffen auf eine Oberfläche aus Schichten von Magnesiumatomen (dunkelblau). Darunter befindet sich ein Kristallgitter aus Wolfram (grün). Der XUV-Puls schlägt aus den Wolframatomen Elektronen heraus. Mit dem Laserpuls können die Physiker anschließend messen, wie lange die Wolframelektronen benötigen, um die Magnesiumschichten zu durchdringen.

© Christian Hackenberger

Demnach braucht ein Elektron 40 Attosekunden, um eine Lage von Magnesiumatomen zu durchdringen. Eine Attosekunde ist der Milliardste Teil einer Milliardstel Sekunde. Die genaue Kenntnis, wie Elektronen sich durch ein Material bewegen, könnte bei der Entwicklung kleinerer und schnellerer elektronischer Bauteile helfen.

Fast unvorstellbar kurz sind die Zeitdimensionen, in denen sich Elektronen innerhalb von Atomen bewegen. Werden sie etwa durch Licht angeregt, dann ändern sie ihren quantenmechanischen „Aufenthaltsort“ in nur Attosekunden-langen Zeitspannen.

Nun hat ein internationales Forscherteam um Reinhard Kienberger, Professor für Laser- und Röntgenphysik an der Technischen Universität München und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, bestimmt, wie lange ein Elektron für den Weg durch eine einzelne Atomlage benötigt. Demnach saust ein Elektron aus einem Wolfram-Kristall in 40 Attosekunden durch eine Lage aus Magnesiumatomen, die nur wenige Milliardstel Meter dick ist.

Ein ultravioletter Attosekundenpuls löst Elektronen aus Magnesium und Wolfram

Für ihr Experiment, an dem auch Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München sowie der Technischen Universität Wien mitwirkten, brachten die Physiker auf einen Wolframkristall eine definierte Anzahl von Lagen aus Magnesiumatomen auf. Auf diese Proben schickten die Forscher zwei Lichtpulse. Der erste Lichtpuls dauerte rund 450 Attosekunden, bei Frequenzen im extremen Ultraviolett. Dieser Lichtblitz drang in das Material ein und löste sowohl aus den Magnesiumlagen als auch aus dem darunter liegenden Wolframkristall je ein sehr nahe am Atomkern gelegenes Elektron heraus.

Das „Wolfram-Elektron“ und das „Magnesium-Elektron“ bewegten sich nach ihrer Freisetzung durch den Kristall bis an dessen Oberfläche, an der sie den Festkörper verließen. (Elektronen aus dem Wolframkristall konnten maximal vier Lagen von Magnesiumatomen durchdringen.) Dort wurden die Teilchen vom elektrischen Feld des zweiten Lichtpulses erfasst, einem infraroten Wellenzug mit einer Dauer von weniger als fünf Femtosekunden.

Ein Beitrag, um kleinere uns schnellere Transistoren zu entwickeln

Da das „Wolfram-Elektron“ und das „Magnesium-Elektron“ aufgrund unterschiedlich langer Wege auch zu unterschiedlichen Zeiten an der Oberfläche ankamen, spürten sie den zweiten, infraroten Lichtpuls zu verschiedenen Zeiten, das heißt sie erfuhren unterschiedliche Stärken des oszillierenden elektrischen Feldes. Demzufolge wurden beide Teilchen auch unterschiedlich stark beschleunigt. Aus den daraus resultierenden Energieunterschieden der Elektronen konnten die Forscher ermitteln, wie lange ein Elektron benötigte, um eine Lage von Atomen zu durchqueren.

Die Experimente geben Aufschluss darüber, wie Elektronen sich im Mikrokosmos bewegen. Das Wissen, wie schnell sich ein Elektron von einem Ort zum anderen bewegt, ist auch für Anwendungen von Bedeutung: „Während sich beispielsweise in heutigen Transistoren eine Vielzahl von Elektronen über immer noch große Strecken bewegt, könnten in Zukunft einzelne Elektronen ein Signal über Nanostrukturen übermitteln“, sagt Reinhard Kienberger. „Dadurch könnten elektronische Geräte, zum Beispiel auch Computer, um ein Vielfaches schneller und kleiner werden.“ Um die entsprechenden Bauteile zu entwickeln, wollen Forscher besser verstehen, wie schnell Elektronen die winzigen Distanzen in solchen Schaltelementen zurücklegen.


Ansprechpartner

Prof. Dr. Reinhard Kienberger
Technische Universität München

Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Telefon: +49 89 289-12840

E-Mail: reinhard.kienberger@tum.de


Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse und Kommunikation

Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Telefon: +49 89 32905-213

Fax: +49 89 32905-200

E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de


Originalpublikation


Stefan Neppl, Ralph Ernstorfer, Adrian Cavallieri, Christoph Lemell, Georg Wachter, Elisabeth Bothschafter, Michael Jobst, Michael Hofstetter, Ulf Kleineberg, Johannes Barth, Dirk Menzel, Johannes Burgdörfer, Peter Feulner, Ferenc Krausz und Reinhard Kienberger

Direct observation of electron propagation and dielectric screening on the atomic length scale

Nature, 15. Januar 2015; doi: 10.1038/nature14094

Prof. Dr. Reinhard Kienberger | Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/8838658/elektron_geschwindigkeit_attosekunden

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu Sprachdialogsystemen und Mensch-Maschine-Kommunikation in Saarbrücken

24.07.2017 | Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Power-to-Liquid: 200 Liter Sprit aus Solarstrom und dem Kohlenstoffdioxid der Umgebungsluft

24.07.2017 | Energie und Elektrotechnik

Innovationsindikator 2017: Deutschland auf Platz vier von 35, bei der Digitalisierung nur Rang 17

24.07.2017 | Studien Analysen

Netzwerke statt Selbstversorgung: Wiesenorchideen überraschen Bayreuther Forscher

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie