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Liveschaltung ins Elektronenkollektiv

01.10.2012

Matthias Kling erhält ERC Starting Grant der Europäischen Union

Wie verhalten sich Kollektive aus Elektronen in Nanopartikeln unter dem Einfluss starker Laserfelder? Die Chance, dieser Frage nachzugehen, hat nun ein junges Forscherteam um Dr. Matthias Kling vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Mit einem ERC Starting Grant unterstützt die Europäische Union (EU) die Forschung für fünf Jahre. Starting Grants erhalten Nachwuchswissenschaftler für herausragende und zukunftsweisende Forschungsprojekte. Das Forschungsvorhaben „ATTOCO“, das sich mit der Kontrolle und Beobachtung kollektiver Elektronendynamik auf Attosekunden-Zeitskalen befasst, wird mit knapp 1,5 Millionen Euro gefördert. 

Matthias Kling und sein Team forschen im Extremen. Die Dimensionen im Mikrokosmos sind winzig, die Zeiträume von Teilchenbewegungen ultrakurz. Kling und seine Kollegen interessieren sich vor allem für die Bewegungen von Elektronenkollektiven in Nanopartikeln. Nanopartikel bestehen typischerweise aus Verbünden von mehreren Millionen Atomen. Wenn nun auf solche Nanoteilchen starkes Laserlicht trifft, können die elektronischen und optischen Eigenschaften der Nanoteilchen stark verändert und Elektronen aus den Kollektiven freigesetzt und stark beschleunigt werden. Diese Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen findet innerhalb von Attosekunden statt (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde). Die Attosekunden-Nanophysik ist ein junges Forschungsgebiet und bietet viel Raum für Entdeckungen neuer Phänomene, die ihren Weg in Anwendungen wie z.B. der lichtgesteuerten Nanoelektronik finden können.

Mit dem ATTOCO-Projekt wollen die Max-Planck-Forscher die Wechselwirkung von Nanomaterialien mit starken Laserfeldern besser verstehen. Dazu planen die Forscher, aufbauend auf der weltweit einzigartigen Infrastruktur am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, die sogenannte Attosekunden-nanoplasmonische Schmierbildtechnik einzusetzen. Sie soll es ermöglichen, die elektronischen und optischen Eigenschaften der Nanoteilchen zeitlich zu verfolgen. Die Technik, deren Anwendung auf Nanoteilchen von den Forschern theoretisch getestet wurde, wartet nun auf den Einsatz in der Praxis.

In der Attosekunden-nanoplasmonischen Schmierbildtechnik wird das Elektronenkollektiv über so genannte plasmonische Nahfelder beobachtet. Die plasmonischen Nahfelder sind sehr hohe elektromagnetische Felder in der unmittelbaren Umgebung der Nanoteilchen, die durch die kollektive Bewegung nach ihrer Anregung durch Laserlicht entstehen. Die Feldstärke in der Nähe der Oberfläche der Nanoteilchen kann dabei um ein Vielfaches größer sein als die Feldstärke des eingestrahlten Lichtes. Sobald nun ein Attosekunden-Lichtblitz gebundene Elektronen aus dem Nanoteilchen freisetzt, werden diese durch die Nahfelder beschleunigt. Die Attosekunden-Lichtblitze wiederum sind zeitlich abgestimmt zu der ursprünglichen Anregung der Nanoteilchen, die durch einen starken infraroten Laserpuls stattgefunden hat. Die Wissenschaftler wissen also genau, wie die freigesetzten Elektronen durch die Nahfelder in Bewegung geraten sind. Über die Geschwindigkeit der Elektronen messen die Forscher schließlich die Bewegungsrichtung und das zeitliche Verhalten der Elektronenkollektive in den Nanoteilchen. Die Technik erzielt dabei eine extrem hohe Zeitauflösung im Attosekundenbereich.

Matthias Klings Team arbeitet eng mit der  Arbeitsgruppe für Ultraschnelle Röntgenphysik von Prof. Ulf Kleineberg an der Ludwig-Maximilian Universität München (LMU) zusammen. Ulf Kleineberg betreibt ein Flugzeit Photoelektronen-Emissionsmikroskop. Mit diesem Gerät werden Elektronen aus nanostrukturierten Oberflächen  mit ultrakurzen Lichtpulsen angeregt und ihre Emission zeitlich, energetisch und räumlich aufgezeichnet. Das alles geschieht im Maßstab von wenigen Nanometern und Sub-Femtosekunden.

Damit würde sich den Forschern erstmals die Gelegenheit bieten, durch Licht angeregte Veränderungen in Nanoteilchen in Echtzeit aufzuzeichnen und völlig neue Einblicke in die kollektive Bewegung von Elektronen in starken Laserfeldern zu erhalten. „Wir wollen lernen wie sich Elektronen in Nanostrukturen durch Lichtwellen steuern lassen und wie sich die Materialeigenschaften dabei ändern. Unsere Forschung dient dazu, Grundlagen für die Entwicklung ultraschneller, lichtgesteuerter Nanoelektronik zu legen, welche die Geschwindigkeit konventioneller Elektronik um viele Größenordnungen übertreffen kann“, erläutert Matthias Kling. (Text/Foto: Thorsten Naeser)

Weitere Informationen:

Dr. Matthias Kling
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Max Planck Research Group „Attosecond Imaging“
Tel.: +49 89 32905-234
E-Mail: matthias.kling@remove-this.mpq.mpg.de
http://www.attoworld.de/kling-group/