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Elektronendynamik in Atomen, Molekülen, Festkörpern und Plasmen
Projekte
C.1.1 | Attosekundenmesstechnik und Spektroskopie
C.1.2 | Wechselwirkung zwischen den Elektronen in der Nähe eines Atomkerns
C.1.5 | Elektronischer Ladungstransfer und Screening an Oberfläche
C.1.6 | Theorie und Simulation von Ladungstransferdynamik an Oberflächen
C.1.9 | Theorie zur Attosekunden-Elektronendynamik in Feststoffen
Theorie zur Attosekunden-Elektronendynamik in Feststoffen
Die Bewegung von Elektronen und ihre Wechselwirkung mit unterschiedlichen Formen von Materie bestimmt viele grundlegende Prozesse des Lebens. Elektronen sorgen nicht nur dafür, dass Proteine und Gene richtig funktionieren, sondern sind auch die Basis von Computern, Handys und vielen anderen technologischen Entwicklungen.
In Form von Beta Strahlung aus radioaktivem Zerfall können Elektronen jedoch auch die Zellen und damit das Leben schädigen! Die Zeit, die ein Elektron benötigt, um auf äußere Einflüsse zu reagieren, beträgt einige Attosekunden (1 as entspricht 10-18 s) und ist die schnellstmögliche Antwort von Materie auf elektromagnetische Anregung. Elektronische Prozesse sind damit die schnellsten Abläufe in der Natur, die man derzeit zeitaufgelöst messen kann.
Energieübertragungsprozesse durch elektronischen Ladungstransfer spielen beispielsweise eine entscheidende Rolle bei der Auf- und Umfaltung von Proteinen. Für das Verständnis, nach welchen Mechanismen chemische, biologische und elektrische Reaktionen ablaufen, ist es nötig, genau zu wissen, in welchem Zustand sich die Elektronen zu jedem Zeitpunkt einer Reaktion befinden.
Die MAP-Wissenschaftler versetzen mit Hilfe von genau kontrollierten Attosekunden-Laserpulsen Elektronen in verschiedene energetisch angeregte Zustände. Das Licht, das sie beim Zurückfallen in den Grundzustand emittieren, lässt Rückschlüsse über die Art des angeregten Zustands zu − ähnlich der Rückschlüsse, die ein Arzt aus einem EKG auf den Zustand des Herzens ziehen kann.
Mit dieser Forschung betreten die Wissenschaftler völliges Neuland, deshalb lässt sich heute noch nicht im Detail vorhersagen, was mit den Erkenntnissen noch möglich sein wird. Einige wenige heute schon bekannte Anwendungen der Attosekundenphysik sind:
- Entwicklung neuer Elektronen- Ionen-, und Röntgenquellen
- Entwicklung von neuen Materialien und leistungsfähigeren Bauteilen für die Elektronik
- präzise Steuerung von chemischen Reaktionen
- Reparatur von beschädigten Biosystemen (Bionanotechnologie)
- Entwicklung leistungsfähigerer Solarzellen
- Hochauflösende Verfahren für die Untersuchung biologischer Systeme, Diagnostik und Radiotherapie
- Neue Erkenntnisse über die Wirkungsweise von Neurotransmittern, die verantwortlich sind für viele Krankheiten
- Fortschritte in der Kern- und Astrophysik
Major goals
- Extension of attosecond metrology and spectroscopy to photon energies of several hundred electronvolts, time resolution approaching the atomic unit of time (24 as)
- Extension to both condensed-phase systems and hot, dense matter: solids, molecules, nano-assemblies on surfaces and plasmas
- Proof-of-principle experiments towards combining nanometre spacial with attosecond time resolution
