Aktuelles: Atomar scharfes Licht

Wissenschaftler:innen aus Regensburg und Hamburg ist es erstmals gelungen, die exakte Form von Lichtwellen mit atomarer Pr?zision zu messen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网er Fortschritt erlaubt in Zukunft das Ma?schneidern von Lichtimpulsen und damit die volle Kontrolle über Prozesse im Nanokosmos, die als Grundlage von lichtwellengetriebener Nanoelektronik, (bio)chemischen Reaktionen und optimierter Nutzung von Solarenergie dienen.

Integrierte Schaltkreise sind von der technologischen DNA unserer Informationsgesellschaft nicht mehr wegzudenken. W?hrend elektronische Bauelemente in wenigen Jahren die physikalischen Grenzen ihrer Leistungsf?higkeit erreicht haben dürften, nimmt die Rolle von Licht als Informationstr?ger immer weiter zu. Ein gro?er Durchbruch dabei w?re, atomar kleine Schaltkreise für Licht zu bauen, die um ein Vielfaches schneller als herk?mmliche Elektronik betrieben werden k?nnten. Um das zu realisieren, muss allerdings die Interaktion zwischen Licht und Materie auf atomaren L?ngenskalen verstanden werden: W?hrend heutzutage die Anordnung von Atomen routinem??ig abgebildet werden kann, gibt das Verhalten von Licht in atomaren Dimensionen in vielerlei Hinsicht R?tsel auf. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 gilt insbesondere für das zeitliche Verhalten von Licht als Welle auf diesen extrem kleinen L?ngenskalen, bei denen die bekannten Gesetze der klassischen Physik ihre Gültigkeit verlieren und die Gesetze der Quantenphysik dominieren.

Nun haben Forscher*innen der Universit?t Regensburg und des Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg eine bahnbrechende Methode entwickelt, um die Dynamik von Licht auf so kleinen Skalen mit einer zeitlichen Aufl?sung zu erfassen, die sogar schneller als eine einzige Lichtschwingung ist. Den Schlüssel zu diesem Durchbruch bildet ein einziges Detektormolekül, das Ver?nderungen in den lokalen elektromagnetischen Feldern nachweist und pr?zise kalibriert werden kann. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics ver?ffentlicht.

Das Regensburger Team platzierte das Molekül Magnesiumphthalocyanin in einem Spalt von neun ?ngstr?m – weniger als ein Milliardstel Meter – zwischen einer ultrascharfen Wolframspitze und einer Oberfl?che in einem Rastertunnelmikroskop. Das Detektormolekül wirkt dann als molekularer Schalter, der bei einer bestimmten lokalen Feldst?rke aktiviert wird und dadurch seine Lage auf dem Untergrund ?ndert. Dadurch variiert wiederum der Strom, der zwischen Spitze und Oberfl?che flie?t. Durch Messung des Stroms k?nnen die Schaltvorg?nge experimentell aufgezeichnet werden.

Mit dieser Methode gelang es den Physiker:innen erstmals, atomare elektromagnetische Felder quantitativ und zeitaufgel?st zu messen. Die Zeitaufl?sung erreichten sie durch Lichtimpulse, deren lokale Felder sie so abstimmten, dass der molekulare Schalter zu verschiedenen Zeiten mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit aktiviert wird. Indem die Wissenschaftler:innen den gemessenen Strom mit der Schaltwahrscheinlichkeit in Beziehung setzten, konnten sie die zeitabh?ngigen Werte der lokalen elektromagnetischen Felder extrahieren und so den atomaren Lichtwellen auf der unvorstellbar kurzen Zeitskala von Femtosekunden – eine Femtosekunde ist der Millionste Teil einer Milliardstel Sekunde – beim Schwingen zusehen.

Für ein besseres Verst?ndnis und zur Best?tigung der getroffenen Hypothesen der experimentellen Technik, führten die Forscher:innen am MPSD Quantendynamik-Simulationen auf atomarer Ebene durch. Dabei gelang es, die Auswirkungen eines externen Lichtfeldes auf den Quantenzustand der Elektronen des Moleküls und den daraus resultierenden Tunnelstrom, der das Schalten des Sondenmoleküls bewirkt, zu simulieren. Die Simulationen belegten die den Experimenten zugrunde liegenden Annahmen und untermauern die Interpretation der experimentellen Ergebnisse aus Regensburg.

Darüber hinaus verschaffen die Animationen des elektrischen Potentials im Mikroskop Klarheit über den Ursprung der lokalen elektromagnetischen Felder in der gew?hlten Oberfl?chen-Spitzen-Anordnung, welche wiederum verantwortlich für die gemessenen Tunnelstr?me sind.

Bisher war der Zugang zur Dynamik von Licht auf molekularen Skalen nur indirekt m?glich: durch Beobachtung seiner zeitlich gemittelten Wirkung auf Materie. Die neue Entdeckung zeigt einen neuartigen Weg zur Beobachtung von Licht-Materie-Wechselwirkungen in Raum und Zeit auf, in einem Regime, in dem die lokale Quantendynamik die Eigenschaften des Lichts bestimmt. Darüber hinaus legt die Studie den Grundstein für ma?geschneiderte Lichtimpulse auf kleinsten Skalen, die das Forschungsgebiet der Nanotechnologie revolutionieren k?nnten. So erhofft man sich, mit diesen Erkenntnissen Anwendungen von bildgebenden Verfahren über zukünftige lichtwellengetriebene Nanoelektronik voranzutreiben oder die Nutzung von Solarenergie zu optimieren.

Originalpublikation
D. Peller, C. Roelcke, L. Z. Kastner, T. Buchner, A. Neef, J. Hayes, F. Bonafé, D. Sidler, M. Ruggenthaler, A. Rubio, R. Huber & J. Repp, Quantitative sampling of atomic-scale electromagnetic waveforms. In: Nature Photonics.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-020-00720-8 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)
URL: https://www.nature.com/articles/s41566-020-00720-8 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)