Forschung & Entwicklung

Pikoskope blicken in das Innere der atomaren Materie

Ein Lichtmikroskop mit einer Auflösung von einigen zehn Pikometern zeigt erstmals die räumliche Verteilung von Elektronenwolken im Kristallgitter von Festkörpern. Der neue Ansatz ebnet den Weg zu einer neuen Klasse von laserbasierten Mikroskopen.

Mit sichtbarem Licht kann man nur Objekte erkennen, deren Größe der Wellenlänge des Lichts entspricht, die etwa einige zehntausendstel Millimeter beträgt. „Um Elektronen sehen zu können, müssten die Mikroskope ihre Vergrößerungskraft um ein paar tausend Mal erhöhen können“, sagt Professor Eleftherios Goulielmakis von der Universität Rostock. Elektronen sind als Bestandteile der Atome um viele Größenordnungen kleiner als Bakterien.

„Um das Innenleben des atomaren Mikrokosmos zu verstehen, nutzen Wissenschaftler seit Jahrzehnten Laserlichtblitze. Solche Laserblitze können ultraschnelle mikroskopische Prozesse im Inneren von Festkörpern verfolgen. Doch noch immer können Laserblitze die Elektronen nicht räumlich auflösen“, sagt Goulielmakis. Das heißt man kann nicht sehen, wie Elektronen den winzigen Raum zwischen den Atomen in Kristallen einnehmen und wie chemischen Bindungen gebildet werden, die die Atome zusammenhalten.

Um diese Beschränkung zu überwinden, gingen Professor Goulielmakis und seine Mitarbeiter einen anderen Weg. Sie entwickelten ein neuartiges Mikroskop, das Pikoskop, das mit starken Laserpulsen arbeitet. „Ein starker Laserpuls kann Elektronen in kristallinen Materialien dazu zwingen, selbst zu einem ,Fotografen‘ des umgebenden Raums zu werden. Wenn der Laserpuls in das Innere des Kristalls eindringt, kann er ein Elektron packen und es in eine schnelle, wackelnde Bewegung versetzen. Wenn sich das Elektron bewegt, spürt es den Raum um sich herum, genau wie ein Auto die unebene Oberfläche einer holprigen Straße spürt“, erklärt Harshit Lakhotia vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ).

Wenn die lasergetriebenen Elektronen eine von anderen Elektronen oder Atomen erzeugte Unebenheit überqueren, werden sie abgebremst. Der damit verbundene Energieverlust werde als Strahlung einer bestimmten Frequenz ausgesendet, die viel höher sei als die des Laserlichts. „Indem wir die Eigenschaften dieser Strahlung aufzeichnen und analysieren, können wir die Form dieser winzigen Höcker ableiten und Bilder berechnen, die zeigen, wo die Elektronendichte im Kristall hoch oder niedrig ist", sagt Dr. Hee-Yong Kim aus der Arbeitsgruppe Extreme Photonik am Institut für Physik der Universität Rostock. Das Laser-Pikoskop kombiniere die Fähigkeiten ins Innere undurchsichtiger Materialien wie mit Röntgenstrahlen zu blicken mit der Fähigkeit, freie Elektronen zu sondieren, was mit Rastertunnelmikroskopen nur auf Oberflächen möglich sei.

Der theoretische Festkörperphysiker Sheng Meng vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking ergänzt: „Mit einem solchen Mikroskop, das in der Lage ist, die Dichte der Valenzelektronen zu sondieren, können wir vielleicht schon bald die Grenzen unserer rechnergestützten Werkzeuge der Festkörperphysik überwinden. Wir können moderne, dem Stand der Technik entsprechende Modelle optimieren, um die Eigenschaften von Materialien immer genauer vorherzusagen.“

Jetzt arbeiten die Forscher daran, die Technik weiterzuentwickeln. Sie planen, Elektronen in drei Dimensionen zu sondieren und die Methode an einer breiten Palette von Materialien zu erproben. Professor Goulielmakis ist optimistisch, bald vielleicht nicht nur Bilder, sondern ganze Videos von den Vorgängen im Innern der Materie gewinnen zu können: „Da die Laser-Pikoskopie leicht mit zeitaufgelösten Lasertechniken kombiniert werden kann, könnte es bald möglich sein, echte Filme von Elektronen in Materialien aufzunehmen. Dies ist ein lang ersehntes Ziel in den ultraschnellen Wissenschaften und bei der Mikroskopie von Materie.“

von mn

Originalveröffentlichung:

[E. Goulielmakis, H. Lakhotia, H.-Y. Kim, M. Zhan, S. Hu und S. Meng, Laser picoscopy of valence electrons in solids, Nature (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-2429-z]

www.uni-rostock.de

www.mpq.mpg.de

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