von DIRK EIDEMÜLLER
Wer die Welt des Kleinsten erforschen will, steht vor schwierigen Entscheidungen: Die gängigen Methoden ermöglichen entweder eine hohe räumliche Auflösung und damit scharfe Bilder – wodurch sich aber sehr schnelle Prozesse nicht abbilden lassen. Oder sie basieren auf einer Messmethode, die zwar sehr rasche Folgen von Datenpunkten liefert, aber keine scharfen Aufnahmen des Mikrokosmos. Deshalb nutzen Wissenschaftler oft eine ganze Palette unterschiedlicher Methoden, um anschließend aus den erzielten Ergebnissen wie mit Mosaiksteinen ein möglichst vollständiges Bild der Prozesse im Mikrokosmos zusammenzusetzen.
Offene Fragen zu Solarzellen
„Vor allem schnelle mikroskopische Prozesse sind bislang eher schlecht verstanden, darunter auch viele, die für die moderne Technologie essenziell sind“, sagt Peter Baum, Leiter der Arbeitsgruppe Licht und Materie am Physikalischen Institut der Universität Konstanz. „Das betrifft etwa das Verhalten der Elektronen in den Atomen von optischen Materialien, die durch die elektrischen Felder des Lichts zu Oszillationen angeregt werden.“ Auch in Solarzellen löst das Sonnenlicht solche Elektronen-Bewegungen aus. Doch nicht nur dort, sondern in allen elektronischen und optischen Materialien treten ultraschnelle Prozesse auf. Denn die Zeitspanne, innerhalb derer Elektronen auf Lichtwellen oder chemische Prozesse reagieren, liegt typischerweise im Bereich von Attosekunden – und ist damit unvorstellbar kurz: Eine Attosekunde beträgt lediglich 10 hoch minus 18 Sekunden – und verhält sich damit zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums.
Doch in den letzten Jahrzehnten wurden einige Verfahren entwickelt, die einen Einblick in die „Atto-Welt“ ermöglichen: Der Physiknobelpreis 2023 würdigte mit Pierre Agostini, Ferenc Krausz und Anne L‘Huillier drei Pioniere, die mit ihren Arbeiten entscheidende Schritte zur Etablierung der Attosekundenphysik getan hatten. Allerdings: Die Verfahren, die mit ultrakurzen Laserpulsen arbeiten, können keine besonders gute räumliche Auflösung erzielen – schon deshalb nicht, weil die Wellenlänge jeder Art von Laserlicht zu groß ist, um Atome sehen zu können.
„Hier setzt unsere Arbeitsgruppe an“, sagt Baum. „Wir kombinieren die Lasertechnologie mit einem Elektronenmikroskop.“ Elektronen als Materiewellen haben nämlich eine Wellenlänge kleiner als ein Atom. Daher ist die Elektronenmikroskopie ein Standardmikroskopie-Verfahren für winzige Strukturen. Sie ermöglicht eine hervorragende räumliche Auflösung und kommt deshalb in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz – von der Materialforschung bis zur Biophysik. „Doch bislang kam diese Technik im Hinblick auf ihre zeitliche Auflösung nicht an ultrakurze Laserpulse heran“, sagt der Physiker. So sind zwar statische Bilder sehr scharf, aber nicht die Bilder von schnell ablaufenden Prozessen.
