26.11.2020 - Universität Konstanz

Dynamische Nanowelt im Fokus

Beobachtung von Metamaterialien in Echtzeit

Physiker der Universität Konstanz, der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU München) und der Universität Regensburg haben experimentell nachgewiesen, dass ultrakurze Elektronenpulse durch die Interaktion mit Lichtwellen in nanophotonischen Materialien eine quantenmechanische Phasenverschiebung erfahren, mittels derer sich die Funktionsweise von Nanomaterialien bei Lichteinstrahlung direkt sichtbar machen lässt. Die Ergebnisse sind in der neuesten Ausgabe von Science Advances erschienen.

Nanophotonische Materialien und Metamaterialien

In der Natur finden sich viele Materialien, die elektromagnetische Wellen wie Licht auf verschiedenste Art und Weise beeinflussen können. Für die Erzeugung neuartiger optischer Effekte zur Entwicklung von besonders effizienten Solarzellen, Tarnkappen oder Katalysatoren bedarf es dagegen meist künstlicher Strukturen, sogenannter Metamaterialien. Diese Materialien erzielen ihre außergewöhnlichen Eigenschaften durch eine ausgefeilte Nanostrukturierung, das heißt, durch eine rasterförmige Anordnung kleinster Bausteine auf Längenskalen deutlich unterhalb der Wellenlänge des Anregungslichtes.

Um solche Metamaterialien charakterisieren und weiterentwickeln zu können, müssen die Wissenschaftler verstehen, wie sich die einfallenden Lichtwellen an den kleinen Strukturen verhalten und mit ihnen interagieren. Folglich müssen die optisch angeregten Nanostrukturen und ihre elektromagnetischen Nahfelder sowohl mit einer räumlichen Auflösung im Bereich von Nanometern (~10-9 m) als auch mit einer zeitlichen Auflösung unterhalb des Anregungszyklus (~10-15 s) vermessen werden. Die herkömmliche Lichtmikroskopie allein gelangt hier jedoch an ihre Grenzen.

Ultraschnelle Elektronenbeugung an optisch angeregten Nanostrukturen

Elektronen haben im Gegensatz zu Licht eine Ruhemasse und bieten daher eine 100.000-fach bessere räumliche Auflösung als Licht. Darüber hinaus dienen Elektronen mittels ihrer Ladung auch als Sensoren für elektromagnetische Felder und Potentiale. Jetzt gelang es einem Team unter der Leitung von Prof. Dr. Peter Baum (Universität Konstanz), extrem kurze Elektronenimpulse erfolgreich für eine derartige Messung einzusetzen. Die Dauer der Elektronenimpulse wurde dafür mittels Terahertz-Strahlung in der Zeit so stark komprimiert, dass die Forschenden die optischen Schwingungen der elektromagnetischen Nahfelder an den Nanostrukturen detailliert auflösen konnten.

Hohe Auflösungen in Raum und Zeit

„Die Herausforderung bei diesem Experiment besteht in der hohen Auflösung, die gleichzeitig in Raum und Zeit gewährleistet werden muss. Um Raumladungseffekte zu vermeiden, verwenden wir nur einzelne Elektronen pro Impuls und beschleunigen diese Elektronen auf Energien von 75 Kiloelektronenvolt“, erklärt Peter Baum, Letztautor der Studie und Leiter der Arbeitsgruppe für Licht und Materie am Fachbereich Physik der Universität Konstanz. Werden diese extrem kurzen Elektronenimpulse an den Nanostrukturen gestreut, interferieren sie aufgrund ihrer quantenmechanischen Eigenschaften mit sich selbst und erzeugen ein Beugungsbild der Probe.

Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Feldern und Potentialen

Die optische Anregung der Nanostrukturen wird nach dem Anregungs-Abfrage-Prinzip untersucht. Nach der optischen Anregung der Nahfelder kommt zu einem definierten Zeitpunkt der ultrakurze Elektronenimpuls und misst die zeitlich eingefrorenen Felder in Raum und Zeit. „Gemäß den Vorhersagen von Aharonov und Bohm verschiebt sich die quantenmechanische Phase der Wellenfunktion der Elektronen, wenn sie durch elektromagnetische Potentiale fliegen“, erläutert Kathrin Mohler, Doktorandin an der LMU München und Erstautorin der Studie. Diese optisch induzierten Phasenverschiebungen liefern einen Einblick in die ultraschnelle Lichtdynamik an den Nanostrukturen, so dass letztlich eine filmartige Bildersequenz von der Wechselwirkung des Lichts mit den Nanostrukturen entsteht.

Erschließung neuer Anwendungsgebiete für Elektronenholografie und -beugung

Diese Experimente zeigen auf, wie sich in Zukunft mit der Elektronenholografie und -beugung die grundlegenden Licht-Materie-Wechselwirkungen in nanophotonischen Materialien und Metamaterialien besser verstehen lassen. Dadurch könnten kompakte Optiken, neuartige Solarzellen oder effiziente Katalysatoren entwickelt und optimiert werden.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Uni Konstanz
  • News

    Weder flüssig noch fest

    Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Universität Konstanz entdeckt einen neuen Aggregatzustand, flüssiges Glas, mit bisher unbekannten Strukturelementen – neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von Glas und seine Übergänge. Obwohl Glas ein allgegenwärtiges Material ist, das wir tägli ... mehr

    Attosekunden-Durchbruch für Elektronen­mikroskopie

    Elektronenmikroskope geben uns Einblick in kleinste Materiedetails und können beispielsweise den atomaren Aufbau von Materialien, die Struktur von Proteinen oder die Form von Viruspartikeln sichtbar machen. Die meisten Materialien in der Natur sind jedoch nicht statisch, sondern interagiere ... mehr

    Direkte Kopplung zweier nahe beieinanderstehender Sensoren im Nanobereich

    Sie sehen aus wie Zahnstocher, nur dass sie winzig klein sind: 10.000-mal kürzer und 1.000-mal dünner. Im Arbeitsbereich der Physikerin Prof. Dr. Eva Weig ist es an der Universität Konstanz gelungen, Nanosäulen so nah aneinander zu bauen, dass sie durch die Verspannung im Boden gekoppelt we ... mehr

Mehr über LMU
  • News

    Fluoreszenzmikroskopie mit höchster Auflösung

    Erst vor wenigen Jahren wurde eine fundamental erscheinende Auflösungsgrenze der optischen Mikroskopie gesprengt, was 2014 zur Verleihung des Nobelpreises für Chemie führte. Seither hat es auf dem Gebiet der superauflösenden Mikroskopie einen weiteren Quantensprung gegeben, der die Auflösun ... mehr

    Chemische Evolution: Am Anfang war der Zucker

    Der Ursprung allen Lebens liegt in organischen Molekülen. Doch wie sind diese aus anorganischen Stoffen entstanden? Der LMU-Chemiker Oliver Trapp berichtet über einen Reaktionsweg, bei dem sich Zucker an Mineralien ohne Wasser bilden. Eine Reise zurück in die Vergangenheit: Vor mehr als vie ... mehr

    Recycling von Selten-Erd-Elementen mithilfe von Bakterien?

    Selten-Erd-Elemente sind technologisch unverzichtbare Rohstoffe. LMU-Chemiker haben nun gezeigt, dass ein Bestandteil bakterieller Enzyme einige der begehrten Elemente umweltschonend aus Gemischen isolieren kann. Selten-Erd-Elemente (SEE) sind aus dem modernen Leben kaum mehr wegzudenken: C ... mehr

  • q&more Artikel

    Code erkannt

    Der genetische Code codiert alle Informationen, die in jeder Zelle für die ­korrekte Funktion und Interaktion der Zelle mit der Umgebung notwendig sind. Aufgebaut wird er aus vier unterschiedlichen Molekülen, den so genannten ­kanonischen Watson-Crick-Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymi ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Carell

    Thomas Carell, Jg. 1966, studierte Chemie und fertigte seine Doktorarbeit am Max-Planck Institut für Medizinische Forschung unter der Anleitung von Prof. Dr. Dr. H. A. Staab an. Nach einem Forschungs-aufenthalt in den USA ging er an die ETH Zürich in das Laboratorium für Organische Chemie u ... mehr

Mehr über Uni Regensburg
  • News

    Neuen Quantenstrukturen auf der Spur

    Der technologische Fortschritt unserer modernen Informationsgesellschaft basiert auf neuartigen Quantenmaterialien. Wissenschaftlern aus Regensburg, Marburg und Ann Arbor (USA) ist es nun gelungen mit ultrakurzen Lichtblitzen die genaue elektronische Struktur dieser Quantenmaterialien mit e ... mehr

    Atomar scharfes Licht

    Wissenschaftlern aus Regensburg und Hamburg ist es erstmals gelungen, die exakte Form von Lichtwellen mit atomarer Präzision zu messen. Dieser Fortschritt erlaubt in Zukunft das Maßschneidern von Lichtimpulsen und damit die volle Kontrolle über Prozesse im Nanokosmos, die als Grundlage von ... mehr

    Atom blitzschnell angetippt

    Wissenschaftler aus Regensburg und Zürich haben einen faszinierenden Weg gefunden, ein Atom mit kontrollierten Kräften so schnell anzustoßen, dass sie damit die Bewegung eines einzelnen Moleküls in weniger als einer billionstel Sekunde choreografieren können. Als Grundlage dient die extrem ... mehr

  • q&more Artikel

    Mizellen als Reaktionsumgebung

    Die Photoredoxkatalyse hat sich zu einem leistungsfähigen Instrument für die Synthese organischer Verbindungen mit den verschiedensten Strukturen entwickelt. Die hohe Stabilität der Kohlenstoff-Chlor-Bindungen hat jedoch lange Zeit den Einsatz kostengünstiger und leicht verfügbarer Chloralk ... mehr

    Interessante Gesundheitsförderer

    Unter den pflanzlichen Sekundärstoffen ist kaum eine Klasse von Verbindungen so pro­minent in unserem Leben vertreten wie die Flavonoide. Man findet sie in verschiedenen Oxidationsstufen und hauptsächlich als Glykoside (Abb. 1) in zahlreichen Nahrungsmitteln. Mit dem Konsum von Obst, Gemüse ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Burkhard König

    Burkhard König, Jahrgang 1963, studierte Chemie an der Universität Hamburg, wo er 1991 promovierte. Er absolvierte Postdoc-Aufenthalte bei Prof. M. A. Bennett, Research School of Chemistry, Australian National University, Canberra, Australien und bei Prof. B. M. Trost, Stanford University, ... mehr

    Dr. Maciej Giedyk

    Maciej Giedyk, Jahrgang 1988, beendete 2012 sein Studium der Chemie an der Warschauer Technischen Universität mit einem Master of Engineering ab. Im Jahr 2016 schloss er seine Doktorarbeit am Institut für Organische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Pro ... mehr

    Prof. Dr. Jörg Heilmann

    Jörg Heilmann, geb. 1966, studierte Pharmazie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und erhielt 1991 die Appro­bation. Von 1991 – 1992 war er als Apotheker in der Löwen-Apotheke Mülheim an der Ruhr tätig. An seine Promotion 1997 am Lehrstuhl Pharmazeutische Biologie an der Heinrich-H ... mehr