Elektronenbewegung an Oberflächen

Die Oberfläche ist die Grenzfläche eines Festkörpers zu seiner Umgebung. Oberflächenprozesse spielen in vielen Bereichen eine wichtige Rolle.
Zum Beispiel:

In der Katalyse;

In der Elektrochemie (Batterien, Elektrokatalyse, Photokatalyse);

insbesondere bei neuartigen Solarzellen, bei denen Farbstoffmoleküle oder Nanocluster auf Oberflächen Sonnenlicht „ernten“ und durch Ladungstrennung als Elektrizität nutzbar machen.

bei Korrosionsprozessen durch Witterung, aber auch durch Körperflüssigkeiten bei medizinischen Implantaten, oder bei Gehäusematerialien von elektronischen Bauteilen;

im gegenwärtig sich stark entwickelnden Gebiet der molekularen Elektronik und Spintronik, in dem an Elektroden gekoppelte Moleküle als Schalter dienen und bisher unerreichte Miniaturisierung ermöglichen werden;

bei Biosensoren und Krebs-Therapeutika mit an Oberflächen gebundenen Biomolekülen, die nach dem „Schlüssel-und-Schloss“-Prinzip arbeiten.

Bei all diesen Vorgängen werden Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen verschoben. Elektronen sind leicht, deshalb ist ihre Bewegung sehr schnell - meist sind solche Transfer-Reaktionen in weniger als einer Femtosekunde vorbei. Außerdem wechselwirken Elektronen miteinander durch ihre Ladung und ihre Quantennatur. Deshalb sind Elektronenbewegungen an Oberflächen in der Regel korrelierte Vorgänge: Die Umgebungselektronen „antworten“ auf eine individuelle Elektronenverschiebung.

Mit ultrakurzen Lichtpulsen im Grenzbereich zwischen UV- und Röntgenstrahlung ist es erstmals möglich, den genauen Ablauf dieser sehr schnellen Prozesse mit Attosekunden-Zeitauflösung zu verfolgen. Bisherige Methoden waren entweder zu langsam, oder lieferten nur eine Zahl für die Dauer der Elektronenbewegung, aber kein Detailbild ihres Ablaufs. Die aus unseren Experimenten gewonnenen Einsichten werden das Verständnis dieser Vorgänge erheblich vertiefen und damit optimierte Lösungen für viele der oben genannten Beispiele ermöglichen. Außerdem wird es mit nach Wellenlänge und zeitlichem Verlauf maßgeschneiderten Lichtpulsen möglich sein, die Elektronen eines Moleküls auf der Oberfläche gezielt in eine bestimmte Richtung zu treiben und so Reaktionen auszulösen und zu studieren.