Der kleinste Elektronenbeschleuniger der Welt

In einem Artikel, der jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Photonics“ erschienen ist, berichten die Forscher der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ unter der Leitung von Prof. Dr. Christoph Lienau erstmals über Experimente zur gezielten Beschleunigung von Elektronen aus einzelnen Goldspitzen durch ultrakurze Laserimpulse.

Wenn Licht in Strom oder chemische Energie umgewandelt wird – in Solarzellen zum Beispiel oder in Pflanzenzellen bei der Photosynthese – dann deshalb, weil die einfallenden Lichtstrahlen die Elektronen in den Materialien gezielt in Bewegung versetzen.

Diese Elektronenbewegungen finden auf extrem kurzen Längenskalen von wenigen Nanometern (ein Nanometer ist der Milliardste Teil eines Meters) und auf ultraschnellen Zeitskalen von wenigen Femtosekunden (eine Femtosekunde ist der Billiardste Teil einer Sekunde) statt.

Diese Vorgänge sind so komplex, dass sie sich selbst mit den bislang besten verfügbaren Mikroskopen nicht detailliert verfolgen lassen. Weltweit arbeiten daher Forscher intensiv an der Entwicklung neuer Techniken, um diese Prozesse sichtbar zu machen.

Physiker der Universität Oldenburg ist dabei ein entscheidender Durchbruch gelungen. In einem Artikel, der jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Photonics“ erschienen ist, berichten die Forscher der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ unter der Leitung von Prof. Dr. Christoph Lienau erstmals über Experimente zur gezielten Beschleunigung von Elektronen aus einzelnen Goldspitzen durch ultrakurze Laserimpulse.

„Zusammen mit Partnern aus der Mailänder Forschergruppe von Prof. Dr. Giulio Cerullo haben wir einen speziellen Laser aufgebaut, der es uns erlaubt, extrem kurze Laserimpulse mit exakt einstellbarer zeitlicher Form des elektrischen Feldes zu erzeugen“, erklärt Dr. Petra Groß, die das Projekt am Oldenburger Institut für Physik leitet. „Mit diesen so genannten phasen-kontrollierten Impulsen gelingt es uns, Elektronen aus einer wenige Nanometer großen Goldspitze herauszuschlagen und mit genau dosierter Kraft in eine durch das Lichtfeld vorgegebene Richtung zu beschleunigen.“ Dabei gehe es den Wissenschaftlern inzwischen wie einem erfahrenen Golfer, der die Flugbahn des Balles durch einen gefühlvollen Abschlag kontrolliere. Allerdings seien die Beschleunigungen um ein Vielfaches höher: Während beim Golfen etwa das Hundertfache der Erdbeschleunigung erreicht wird, werden die Elektronen mit einer trillionenfach höheren Beschleunigung von zehn hoch zwanzig g auf etwa ein Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit gebracht.

„Die Goldspitzen dienen uns als besonders gut definierter Abschlagpunkt für die Elektronen. Sie sind so einfach strukturiert, dass wir unsere experimentellen Ergebnisse gut mit Modellrechnungen vergleichen können. Wir lernen“, so Lienau, „wie sich Elektronen auf solch kurzen Zeit- und Längenskalen bewegen.“ Dieses Wissen ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der noch komplexeren Elektronenbewegungen in technologisch relevanten Bauelementen wie Solarzellen. Die Oldenburger Wissenschaftler arbeiten daher intensiv daran, die neu entwickelten experimentellen Techniken zur Aufklärung von Energiewandlungsprozessen in Solarzellen und biologischen Nanostrukturen zu nutzen.

Artikel in der Zeitschrift Nature Photonics: doi.10.1039/nphoton.2013.288.

Kontakt: Prof. Dr. Christoph Lienau, Institut für Physik, AG Ultraschnelle Nano-Optik Tel.: 0441/798-3485, E-Mail: christoph.lienau@uni-oldenburg.de