Neue Wege in der ultraschnellen Elektronenmikroskopie

Bisher verborgene Vorgänge auf Ebene der Atome möchte der Physiker Peter Baum von der Universität Konstanz zusammen mit seinem Team als Film in Raum und Zeit sichtbar machen.

Für die Entwicklung neuartiger Methoden in der ultraschnellen Elektronenmikroskopie erhielt er einen Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats in Höhe von 3,1 Millionen Euro.

Fast alle sichtbaren Eigenschaften der Materie um uns herum sind im Inneren durch die räumliche Anordnung von Atomen und Elektronen definiert. Jegliche Art von Prozess oder Vorgang, der die Struktur der Materie verändert - beispielsweise eine chemische Reaktion, ein elektronischer Schaltprozess oder die Faltung eines Proteins in unseren Zellen -, beruht daher auf der Bewegung und Neuordnung von Atomen und Elektronen.

Die Zeiträume, in denen solche Reaktionen ablaufen, sind unglaublich kurz und können im Bereich von Femtosekunden oder Attosekunden liegen - dem Milliardstel einer Milliardstel-Sekunde. Auch im Raum sind diese Bewegungen extrem klein und liegen in der Größenordnung von Nanometern oder Pikometern - dem Billionstel Teil eines Meters.

Um Prozesse in diesen extremen räumlichen und zeitlichen Dimensionen zu erforschen, bedarf es hochmoderner Messgeräte, wie zum Beispiel eines ultraschnellen Elektronenmikroskops. Diese Messgeräte kombinieren die sehr hohe räumliche Auflösung eines traditionellen Elektronenmikroskops mit der zeitlichen Auflösung ultrakurzer Laserimpulse. Ein besonders hochauflösendes Gerät, ein Attosekunden-Elektronenmikroskop, das sogar die elektrischen Oszillationen von Licht sichtbar machen kann, hat die Arbeitsgruppe von Peter Baum am Fachbereich Physik der Universität Konstanz entwickelt.

"Bisher lassen sich auf diese Weise allerdings nur Prozesse vermessen, die speziell und dezidiert mit einem hochenergetischen Laserimpuls angeregt werden. Elektrisch, magnetisch oder anderweitig ausgelöste Vorgänge, wie sie oft in technischen Geräten oder natürlichen Umgebungen auftreten, entziehen sich bisher unserer Beobachtung", so Baum.

In ihrem neuen Projekt, das mit einem Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von 3,1 Millionen Euro gefördert wird, möchten Baum und sein Team neuartige Elektronenmikroskope entwickeln, die diese Einschränkung überwinden sollen. Dabei werden gezielt erzeugte Sequenzen und räumliche Muster von ultrakurzen Elektronenimpulsen zum Einsatz kommen. "Wir werden mehrere Elektronen mithilfe speziell designter Laserimpulse erzeugen und anschließend mittels Terahertzstrahlung in ihren räumlichen und zeitlichen Eigenschaften kontrollieren, um Korrelationsmessungen vorzunehmen", benennt Baum einige der technischen Ideen.

Auf diese Weise kann auf dem zu untersuchenden Objekt eine nahezu frei kontrollierte Abfrage der zeitlichen Abläufe von Prozessen erfolgen. Dadurch soll es möglich werden, die Bewegungen von Atomen und Elektronen auf umfassendere Weise als bisher zu beobachten und auch solche Prozesse in Raum und Zeit sichtbar zu machen, die zuvor nicht zugänglich waren. "Mit diesen neuen Möglichkeiten wollen wir tiefere Einblicke in die grundlegenden Mechanismen gewinnen, die Materialeigenschaften und -übergänge auf atomarer Ebene bestimmen, und so Fortschritte in der Nanotechnologie, der Optik, den Materialwissenschaften und der Quantenphysik erzielen", gibt Baum einen Ausblick.

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Quelle: Universität Konstanz