Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Raum-Zeit-Fühler für das Licht-Materie-Wechselspiel

30.11.2017

Physiker des Labors für Attosekundenphysik der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben ein Attosekunden-schnelles Elektronen-„Mikroskop“ entwickelt. Mit seiner Hilfe lassen sich die Ausbreitung von Licht durch Raum und Zeit sowie die dadurch ausgelösten Bewegungen von Elektronen in Atomen sichtbar machen.

Das elementarste Wechselspiel in der Natur ist das zwischen Licht und Materie. Diese Interaktion geschieht rasend schnell, innerhalb von Attosekunden (Milliardstel einer milliardstel Sekunde). Was genau in diesen kurzen Zeiträumen passiert, blieb bisher meist im Verborgenen.


Mit extrem kurzen Blitzen aus Elektronen erhalten LAP-Forscher zeitaufgelöste Beugungsbilder von kristallinen Proben. Im Bild sind mehrere solche atomaren Beugungsbilder, die im Abstand von nur Attosekunden aufgenommen wurden, überlagert. So erhalten die Physiker Einblick in die Echtzeitbewegungen inneratomarer Phänomene. (Foto: Baum/Marimoto)

Jetzt hat ein Team um Dr. Peter Baum und Dr. Yuya Morimoto vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) eine neue Mikroskop-Technik entwickelt, mit deren Hilfe die Interaktion zwischen Licht und Materie in Echtzeit beobachtet werden kann.

Um Attosekunden-schnelle Phänomene wie die Zyklen von Licht im Wechselspiel mit Atomen in der Natur sichtbar zu machen, benötigt man eine Technik, die ebenso schnell agiert wie die Prozesse selber und gleichzeitig atomare Auflösung erreicht. Um das zu erreichen, bedienen sich Baum und Morimoto dazu Elektronen, die als Elementarteilchen auch Welleneigenschaften haben.

Die Forscher lassen die Elektronen auf eine dielektrische Folie auftreffen. Dort werden sie über einen senkrecht dazu einfallenden Laserstrahl so moduliert, dass nach dem Durchgang durch die Folie eine Serie von Attosekunden-Impulsen entsteht. Das sind Pakete aus etwa 100 Einzelimpulsen, die jeweils rund 800 Attosekunden lang dauern.

Im Gegensatz zu optischen Attosekunden-Lichtblitzen haben die Elektronen-Pulszüge einen großen Vorteil für Anwendungen in der Mikroskopie: Sie haben eine viel kürzere Wellenlänge als konventionelle Lichtpulse. Damit werden auch Teilchen im Mikrokosmos sichtbar, die kleiner als Nanometer sind, zum Beispiel Atome. Zudem sind die Elektronenblitze zeitlich gesehen viel kürzer als die Schwingung von Licht. Dies erlaubt es, ultraschnell ablaufende Prozesse in der Natur sichtbar zu machen.

Mit der neu entwickelten Technik ist es nun möglich, neue Einblicke in den Mikrokosmos zu erhalten. In einem ersten Experiment haben die Forscher ihre Attosekunden-Pulszüge auf einen Kristall aus Silikon treffen lassen. Dabei konnten sie beobachten, wie Licht an dem Kristall gebrochen, abgelenkt und sich weiter in Raum und Zeit ausgebreitet hat.

Ebenso konnten die Forscher beobachten, wieviel Zeit vergeht, bis die Elektronen am Kristallgitter streuen. Man kann also direkt messen, wie die Elektronen in der Kristallprobe auf das Licht reagieren. Damit erreichen die LAP-Physiker subatomare Auflösung, sie können also in Zukunft die Geschehnisse in einem Atom in Echtzeit beobachten.

Mit ihrer Attosekunden-Elektronenmikroskopie haben die LAP-Physiker eine Grundlage geschaffen, selbst kleinste und schnellste elektromagnetische Felder des Lichts und ihre Wechselwirkung mit der Umgebung zu erkunden. Verbessern wollen die LAP-Physiker die Technologie nun, indem sie einzelne Attosekunden-Elektronenblitze produzieren, um noch präziser das Geschehen im Mikrokosmos zu verfolgen. Die neue Technik könnte nun zum Beispiel für die Entwicklung von Metamaterialien dienen.

Metamaterialien sind künstliche Nanostrukturen, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder von der in der Natur üblichen abweicht, so dass optische Phänomene entstehen, die sich mit herkömmlichen Stoffen nicht realisieren lassen. Metamaterialien eröffnen neuartige Perspektiven in der Optik und Optoelektronik, und könnten zu Bausteinen für lichtgetriebene Schaltkreise und Rechner der Zukunft werden. Thorsten Naeser

Bildbeschreibung:
Mit extrem kurzen Blitzen aus Elektronen erhalten LAP-Forscher zeitaufgelöste Beugungsbilder von kristallinen Proben. Im Bild sind mehrere solche atomaren Beugungsbilder, die im Abstand von nur Attosekunden aufgenommen wurden, überlagert. So erhalten die Physiker Einblick in die Echtzeitbewegungen inneratomarer Phänomene. (Foto: Baum/Marimoto)

Originalveröffentlichung:
Yuya Morimoto und Peter Baum
Diffraction and microscopy with attosecond electron pulse trains
Nature physics, 27. November 2017; doi: 10.1038/s41567-017-0007-6

Kontakt:

Dr. Peter Baum
Ludwig-Maximilians-Universität München
Am Coulombwall 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 289 05 -14102
E-Mail: peter.baum@lmu.de

www.ultrafast-electron-imaging.de 

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lumineszierende Gläser als Basis neuer Leuchtstoffe zur Optimierung von LED
17.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

nachricht Blindgänger mit Laser entschärft: Erfolgreicher Feldversuch zum Projektende
16.10.2019 | Laser Zentrum Hannover e.V.

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: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

Verletzungen des Sprunggelenks immer ärztlich abklären lassen

16.10.2019 | Veranstaltungen

Digitalisierung trifft Energiewende

15.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Dehnbare Elektronik: Neues Verfahren vereinfacht Herstellung funktionaler Prototypen

17.10.2019 | Materialwissenschaften

Lumineszierende Gläser als Basis neuer Leuchtstoffe zur Optimierung von LED

17.10.2019 | Physik Astronomie

Dank Hochfrequenz wird Kommunikation ins All möglich

17.10.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics