Quantenmikroskop: Forscher beobachten Elektronen beim Quantensprung

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Atomgenaue Rastertunnelmikroskope waren bisher nicht in der Lage, die schnellen Elektronenbewegungen in einzelnen Molekülen abzubilden. Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart kombinierten Rastertunnelmikroskopie mit schnellen Laserpulsen von nur wenigen Attosekunden (milliardstel milliardstel Sekunden). In einer Attosekunde kann ein Lichtstrahl gerade einmal ein Wassermolekül durchqueren.

Damit angeregte Elektronen sind schneller zu erfassen und bieten auch Chancen für die Prozessorentwicklung.

Ein Rastertunnelmikroskop führt eine feine Spitze mit einer Distanz von wenigen Nanometern über die Oberfläche der Probe. Zwischen Probe und Messspitze wird eine Spannung angelegt. Zwar können die Elektronen den Weg von der Probe zur Spitze rechnerisch nicht überwinden, aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffekts erscheinen sie dort aber trotzdem, wodurch ein kleiner Strom zu messen ist. Weil der Tunneleffekt aber exponentiell zum Abstand abnimmt, lässt sich die Topografie der Probe mit dieser Technik atomgenau bestimmen.

Das neue Quantenmikroskop regt mit schnellen Laserpulsen die Elektronen im Molekül an und ermöglicht es so, die Bewegungen von Elektronen im Molekül in wesentlich kürzeren Abständen zu beobachten. Zudem regten die ultrakurzen Laserpulse die Elektronen zu Sprüngen zwischen den verschiedenen Orbitalen eines Atoms an. Auch diese Quantensprünge ließen sich im Tunnelstrom nachverfolgen. Mit Messwiederholungen und zeitlich variierten Laserpulsen nahmen die Forscher Bildserien auf, die das Verhalten von Elektronen in einem Molekül mit atomarer Genauigkeit wiedergeben.

Die neue Technik erlaubt es nicht nur, Moleküle bei einer chemischen Reaktion atomgenau zu beobachten und zu sehen, wie sich Elektronen zu neuen chemischen Bindungen umorganisieren. Es wird zudem möglich, Elektronen auf ihrem Weg durch Prozessoren und Computerchips zu verfolgen. Außerdem kann die neue Technik die Ladungsträger auch ganz erheblich beschleunigen. Klaus Kern, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung sagt: “Mit ultrakurzen Lichtblitzen lässt sich die Frequenz, mit der Elektronen schwingen, vom Gigahertz-Bereich möglicherweise auf eine Billiarde Hertz (Petahertz) steigern.” Auf diesem Wege ließe sich die Prozessortechnik um das Millionenfache beschleunigen.


(agr)

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