Nanoskalige Elektronenbewegungsanalyse mit fortschrittlichen Lichtimpulsen

Neuauflage von Plato

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Analyse der Elektronenbewegung im Nanomaßstab mithilfe fortschrittlicher Lichtimpulse

von Robert Schreiber

Oldenburg, Deutschland (SPX), 10. Januar 2024

Forscher aus Schweden und Deutschland, darunter Dr. Jan Vogelsang von der Universität Oldenburg, haben bedeutende Fortschritte bei der Untersuchung der Dynamik ultraschneller Elektronen gemacht. Ihre Arbeit, die die Bewegung von Elektronen auf der Oberfläche von Zinkoxidkristallen mit beispielloser räumlicher und zeitlicher Auflösung verfolgte, stellt einen bemerkenswerten Fortschritt auf diesem Gebiet dar.

Diese Untersuchung, die Teil des sich schnell entwickelnden Bereichs der ultraschnellen Elektronendynamik ist, nutzte Laserpulse, um die Elektronenbewegung innerhalb von Nanomaterialien zu beobachten. Die Experimente des Teams, die in der Fachzeitschrift Advanced Physics Research detailliert beschrieben werden, zeigen das Potenzial ihres Ansatzes für das Verständnis des Elektronenverhaltens in Anwendungen, die von Nanomaterialien bis hin zu neuartigen Solarzellentechnologien reichen.

Ausschlaggebend für ihren Erfolg war die innovative Kombination von Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) und Attosekundenphysik-Technologie. PEEM, eine Technik zur Untersuchung von Materialoberflächen, wurde mit extrem kurzen Lichtimpulsen kombiniert, ähnlich der Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsblitzes in der Fotografie, um Elektronen anzuregen und anschließend zu verfolgen. „Der Vorgang ähnelt einem Blitz, der eine schnelle Bewegung in der Fotografie einfängt“, erläutert Dr. Vogelsang.

Eine der größten Herausforderungen auf diesem Gebiet bestand darin, die nötige zeitliche Präzision zu erreichen, um diese unglaublich schnellen Elektronenbewegungen zu beobachten. Elektronen, deutlich kleiner und schneller als Atomkerne, erfordern außergewöhnlich schnelle Messtechniken. Die Integration von PEEM mit der Attosekundenmikroskopie ohne Einbußen bei der räumlichen oder zeitlichen Auflösung war eine entscheidende Errungenschaft. „Wir sind nun endlich an dem Punkt angelangt, an dem wir mithilfe von Attosekundenpulsen die Wechselwirkung von Licht und Materie auf atomarer Ebene und in Nanostrukturen detailliert untersuchen können“, äußerte sich Dr. Vogelsang zum Durchbruch des Teams.

Der experimentelle Ansatz des Teams profitierte stark von einer leistungsstarken Lichtquelle, die 200,000 Attosekundenblitze pro Sekunde erzeugen kann. Diese Frequenz ermöglichte die Freisetzung einzelner Elektronen aus der Kristalloberfläche und ermöglichte so eine ungestörte Untersuchung ihres Verhaltens. „Je mehr Impulse pro Sekunde man erzeugt, desto einfacher ist es, aus einem Datensatz ein kleines Messsignal zu extrahieren“, betonte Dr. Vogelsang die Bedeutung dieser technologischen Fähigkeit.

Die Forschung wurde im Labor der Universität Lund in Schweden unter der Leitung von Professor Dr. Anne L’Huillier durchgeführt, einer renommierten Physikerin und einer der drei Nobelpreisträger für Physik aus dem Vorjahr. Das Labor der Universität Lund gehört zu den wenigen auf der Welt, die für solch anspruchsvolle Experimente ausgestattet sind.

Dr. Vogelsang, der zuvor als Postdoktorand an der Universität Lund tätig war, baut derzeit ein ähnliches Labor an der Universität Oldenburg auf. Die Zusammenarbeit zwischen diesen beiden Institutionen soll fortgesetzt werden, mit Plänen zur Erforschung des Elektronenverhaltens in verschiedenen Materialien und Nanostrukturen.

Seit 2022 leitet Dr. Vogelsang die Forschungsgruppe Attosekundenmikroskopie an der Universität Oldenburg, gefördert durch das Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Diese Initiative spiegelt das Engagement Deutschlands für die Förderung wissenschaftlicher Spitzenforschung wider.

Forschungsbericht:Zeitaufgelöste Photoemissionselektronenmikroskopie auf einer ZnO-Oberfläche unter Verwendung eines extrem ultravioletten Attosekunden-Pulspaares