Ob Mikroelektronik, Nanotechnologie oder Biomedizin: Viele für die heutigen Technologien wichtige Prozesse spielen sich im Reich der Atome und Moleküle ab – in Größenbereichen, die für unsere Augen nicht sichtbar sind. Gleichzeitig laufen diese Prozesse meist extrem schnell ab, so dauert der Zerfall eines Moleküls in einer chemischen Reaktion nur kleinste Sekundenbruchteile. Um solche grundlegenden Vorgänge zu verstehen und erforschen zu können, benötigen Wissenschaftler daher Instrumente, die sowohl eine hohe räumliche als auch eine hohe zeitliche Auflösung besitzen. Bisher jedoch erreichten ihre Technologien meist nur in einem der beiden Bereiche die nötige Leistung.
Dilemma von Zeit oder Ort
Eines der leistungsstärksten Instrumente, um bis auf die Größenordnung von Atomen zu blicken, ist zurzeit das Rastertunnelmikroskop (RTM). Dieses tastet eine Oberfläche berührungslos mit einer feinen Spitze ab, die meist nur aus einem einzelnen Atom besteht. Durch den geringen Abstand zwischen Oberfläche und Mikroskopspitze kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den Elektronen ihrer Atome: Sie überwinden den trennenden Zwischenraum – quantenphysikalisch ausgedrückt tunneln sie. Aus dem Abstand der Spitze und dem Tunnelstrom kann das System errechnen, wo die einzelnen Atome der Oberfläche liegen und wie groß sie sind. Dadurch kann das Mikroskop selbst einzelne Atome und Moleküle auf einer Oberfläche abbilden. Das Problem jedoch: Das Rastertunnelmikroskop ist zwar extrem hochauflösend in räumlicher Hinsicht, nicht aber in zeitlicher. Schnelle Vorgänge auf der Ebene der beobachteten Atome entgehen ihm.
Um wiederum ultraschnelle Prozesse wie die Bewegungen von Elektronen oder Atomen zu beobachten, gibt es ebenfalls bereits Hilfsmittel. Forscher nutzen dabei Laserpulse, die nur wenige Femtosekunden oder Attosekunden anhalten, um quasi einen Schnappschuss des aktuellen Zustands einzufangen. Doch solchen Lasertechniken fehlt die räumliche Auflösung: Sie zeigen den Schnappschuss eines Elektrons quasi vor verwischtem Hintergrund. “Eine atomare Auflösung auf der Zeitskala von Femto- oder Attosekunden blieb bislang außer Reichweite”, konstatieren Manish Garg und Klaus Kern vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart.
Ein Mikroskop für Quantenprozesse
Jetzt jedoch haben Garg und Kern eine Technologie entwickelt, die genau dieses Zeil erreicht. Die beiden Physiker setzen dabei auf die Kombination zweier bewährter Methoden – ultrakurzer Laserblitze und einem Rastertunnelmikroskop. Dafür werden speziell abgestimmte und fokussierte Infrarot-Laserpulse von weniger als sechs Femtosekunden Länge auf die Spitze des Mikroskops gerichtet. Dies senkt die Barriere für das Tunneln der Elektronen und ermöglicht es gleichzeitig, die aktuelle Position und den Zustand der Elektronen aus subtilen Schwankungen im Tunnelstrom abzulesen. Damit können die Wissenschaftler nun bis auf einige hundert Attosekunden genau messen, wann sich Elektronen wo befinden – und dies bis auf ein Atom genau. “Indem wir ein Rastertunnelmikroskop mit ultraschnellen Pulsen kombinieren, haben wir auf bequeme Weise die Vorteile der beiden Methoden genutzt, um ihre jeweiligen Nachteile auszugleichen” sagt Garg.
