Licht wird in Strom oder chemische Energie umgewandelt, weil die einfallenden Lichtstrahlen Elektronen in den Materialien gezielt in Bewegung versetzen. Diese Elektronenbewegungen finden auf extrem kurzen Längenskalen von wenigen Nanometern und auf ultraschnellen Zeitskalen von wenigen Femtosekunden statt. Die Vorgänge sind so komplex, dass sie sich selbst mit den bislang besten verfügbaren Mikroskopen nicht detailliert verfolgen lassen. Physikern der Universität Oldenburg ist nun ein entscheidender Schritt gelungen, diese Prozesse sichtbar zu machen.

In einem Artikel, der nun in der Fachzeitschrift "Nature Photonics" erschienen ist, berichten die Forscher der Arbeitsgruppe "Ultraschnelle Nano-Optik" unter der Leitung von Christoph Lienau erstmals über Experimente zur gezielten Beschleunigung von Elektronen aus einzelnen Goldspitzen durch ultrakurze Laserimpulse.

Zusammen mit Mailänder Kollegen haben die Wissenschafter einen speziellen Laser aufgebaut, der es erlaubt, extrem kurze Laserimpulse mit exakt einstellbarer zeitlicher Form des elektrischen Feldes zu erzeugen. "Mit diesen so genannten phasen-kontrollierten Impulsen gelingt es uns, Elektronen aus einer wenige Nanometer großen Goldspitze herauszuschlagen und mit genau dosierter Kraft in eine durch das Lichtfeld vorgegebene Richtung zu beschleunigen," erklärt Petra Groß, die das Projekt am Oldenburger Institut für Physik leitet.

Elektronen-Golf

Dabei gehe es den Wissenschaftern inzwischen wie einem erfahrenen Golfer, der die Flugbahn des Balles durch einen gefühlvollen Abschlag kontrolliere. Allerdings seien die Beschleunigungen um ein Vielfaches höher: Während beim Golfen etwa das Hundertfache der Erdbeschleunigung erreicht wird, werden die Elektronen mit einer trillionenfach höheren Beschleunigung von zehn hoch zwanzig g auf etwa ein Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit gebracht.

"Die Goldspitzen dienen uns als besonders gut definierter Abschlagpunkt für die Elektronen. Sie sind so einfach strukturiert, dass wir unsere experimentellen Ergebnisse gut mit Modellrechnungen vergleichen können. Wir lernen", so Lienau, "wie sich Elektronen auf solch kurzen Zeit- und Längenskalen bewegen." Dieses Wissen ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der noch komplexeren Elektronenbewegungen in technologisch relevanten Bauelementen wie Solarzellen. Die Oldenburger Wissenschafter arbeiten daher intensiv daran, die neu entwickelten experimentellen Techniken zur Aufklärung von Energiewandlungsprozessen in Solarzellen und biologischen Nanostrukturen zu nutzen. (red, derStandard.at, 16.11.2013)