Atomar scharfes Licht

Forscher messen erstmals exakte Form von Lichtwellen auf atomaren Längenskalen

19.11.2020 - Deutschland

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 lichtwellengetriebener Nanoelektronik, (bio)chemischen Reaktionen und optimierter Nutzung von Solarenergie dienen.

Integrierte Schaltkreise sind von der technologischen DNA unserer Informationsgesellschaft nicht mehr wegzudenken. Während elektronische Bauelemente in wenigen Jahren die physikalischen Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit erreicht haben dürften, nimmt die Rolle von Licht als Informationsträger immer weiter zu. Ein großer Durchbruch dabei wäre, atomar kleine Schaltkreise für Licht zu bauen, die um ein Vielfaches schneller als herkömmliche Elektronik betrieben werden könnten. Um das zu realisieren, muss allerdings die Interaktion zwischen Licht und Materie auf atomaren Längenskalen verstanden werden: Während heutzutage die Anordnung von Atomen routinemäßig abgebildet werden kann, gibt das Verhalten von Licht in atomaren Dimensionen in vielerlei Hinsicht Rätsel auf. Dies gilt insbesondere für das zeitliche Verhalten von Licht als Welle auf diesen extrem kleinen Längenskalen, bei denen die bekannten Gesetze der klassischen Physik ihre Gültigkeit verlieren und die Gesetze der Quantenphysik dominieren.

Nun haben Forscher der Universität 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 Auflösung zu erfassen, die sogar schneller als eine einzige Lichtschwingung ist. Den Schlüssel zu diesem Durchbruch bildet ein einziges Detektormolekül, das Veränderungen in den lokalen elektromagnetischen Feldern nachweist und präzise kalibriert werden kann.

Das Regensburger Team platzierte das Molekül Magnesiumphthalocyanin in einem Spalt von neun Ångström – weniger als ein Milliardstel Meter – zwischen einer ultrascharfen Wolframspitze und einer Oberfläche in einem Rastertunnelmikroskop. Das Detektormolekül wirkt dann als molekularer Schalter, der bei einer bestimmten lokalen Feldstärke aktiviert wird und dadurch seine Lage auf dem Untergrund ändert. Dadurch variiert wiederum der Strom, der zwischen Spitze und Oberfläche fließt. Durch Messung des Stroms können die Schaltvorgänge experimentell aufgezeichnet werden.

Mit dieser Methode gelang es den Physikern erstmals, atomare elektromagnetische Felder quantitativ und zeitaufgelöst zu messen. Die Zeitauflösung 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 den gemessenen Strom mit der Schaltwahrscheinlichkeit in Beziehung setzten, konnten sie die zeitabhängigen 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 Verständnis und zur Bestätigung der getroffenen Hypothesen der experimentellen Technik, führten die Forscher 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 gewählten Oberflächen-Spitzen-Anordnung, welche wiederum verantwortlich für die gemessenen Tunnelströme sind.

Bisher war der Zugang zur Dynamik von Licht auf molekularen Skalen nur indirekt möglich: 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 maßgeschneiderte Lichtimpulse auf kleinsten Skalen, die das Forschungsgebiet der Nanotechnologie revolutionieren könnten. So erhofft man sich, mit diesen Erkenntnissen Anwendungen von bildgebenden Verfahren über zukünftige lichtwellengetriebene Nanoelektronik voranzutreiben oder die Nutzung von Solarenergie zu optimieren.

Originalveröffentlichung

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"; Nature Photonics; 2020

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