Nanowissenschaften

UDE-Forschern gelingt das schnellste Experiment der Welt

Professor Michael Horn-von Hoegen forscht im  Labor der Universität Duisburg-Essen über die Bewegung von Atomen.

Foto: Stephan Eickershoff

Professor Michael Horn-von Hoegen forscht im Labor der Universität Duisburg-Essen über die Bewegung von Atomen. Foto: Stephan Eickershoff

Duisburg.   Physiker der Universitäten Duisburg-Essen und Paderborn haben die Bewegung von Atomen aufgezeichnet. Sie sind viel schneller als ein Porsche.

350 Billiardstel einer Sekunde – ein kaum vorstellbar kurzer Zeitraum. So lange dauert es, bis sich Atome neu arrangieren. Wissenschaftler am Center for Nanointegration(Cenide) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben die Bewegung eines eindimensionalen Materials erstmals live verfolgt und aufgezeichnet. Über das gemeinsame Projekt mit der Uni Paderborn berichtet das Fachmagazin Nature in seiner aktuellen Ausgabe. „Wir wollten das schnellste Experiment der Welt machen“, sagt Prof. Dr. Michael Horn-von Hoegen, Leiter der Duisburger Arbeitsgruppe.

Die dünnsten Drähte der Welt

Eindimensionales Material? „Natürlich haben auch noch so kleine Dinge drei Dimensionen“, erklärt der Physiker. Von „eindimensionalen Systemen“ sprechen die Wissenschaftler bei wie auf einer Perlenschnur aufgereihten Atomen. Die dünnsten Drähte der Welt, gewissermaßen. Außerdem instabil und kaum untersucht. Dort setzt die Arbeit von Dr. Tim Frigge aus der UDE-Gruppe an.

Seine Probe – Indium-Atome auf einer Silizium-Unterlage – formieren sich oberhalb von -140°C zu einer langen Kette, metallisch und stromleitend. Unterhalb dieser Temperatur rutschen die Teilchen paarweise zusammen und bilden Sechsecke, nicht leitfähige Isolatoren. Dieser Übergang findet in nur 350 Femtosekunden (Eine Femtosekunde: 10-15 Sekunden) statt.

Summe der Bilder ergibt eine Art Daumenkino

Um ihn zu untersuchen, haben ihn die Forscher bis zu 5000 Mal pro Sekunde künstlich hervorgerufen. Dazu wurde das Material bei -243°C mit einem ultrakurzen Laserpuls angeregt und in den kettenförmigen Zustand überführt – anschließend fällt das Metall dann in seinen nicht-metallischen Zustand zurück. „Diese extrem niedrigen Temperaturen erreicht man mit flüssigem Helium“, erklärt Horn-von Hoegen.

Um den Phasenübergang zu verfolgen, schießen die Physiker einen Elektronenstrahl auf die Probe. Dessen Beugung bei der Reflexion lässt auf die Position der Atome rückschließen. Die Summe der Bilder ergibt eine Art „Molekular-Film“ – „wie bei einem Daumenkino“, erläutert Tim Frigge.

Chemische Reaktionen besser verstehen

Wozu diese Forschung? „Ziel ist das Verständnis von chemischen Reaktionen“, sagt Michael Horn-von Hoegen: „Dazu muss ich wissen, wie Atome stehen, wie eine Oberfläche gestaltet sein muss, um bestimmte Dinge zu produzieren.“ Auch die Geschwindigkeit der Bewegungen der kleinsten Teilchen ist wichtig für das Verständnis der Prozesse. Also haben die Forscher gemessen. Das Ergebnis: Rund 100 Kilometer pro Stunde erreichen die Atome auf ihrer Kurzstrecke schon in winzigsten Bruchteilen von Sekunden. „Die Beschleunigung ist Billionen mal höher als die eines Porsche 911“, erklärt Michael Horn-von Hoegen.

Originalpublikation: * Frigge et al., Optically excited strutural transition in atomic wires at the quantum limit, Nature, doi: 10.1038/nature21432, die Internetadresse: go.nature.com/2nWOuJh

Elektronenspiralen als Turbo für die Glasfaser

Es sind Zukunftsvisionen von Physikern, die sich mit Plasmonik beschäftigen: Mit der Hilfe von Licht noch viel größere Datenmengen zu übertragen, als das heute per Glasfaserkabel möglich ist und sogar Materie zu bewegen. Die Grundlagenforschung dazu betreiben Wissenschaftler am Center for Nanointegration (Cenide) der Universität Duisburg Essen (UDE). In Kooperation mit Kollegen aus Haifa (Israel), Stuttgart und Kaiserslautern ist es ihnen nun gelungen, nanometerkleine Lichtstrudel auf einer Metall-Oberfläche zu erzeugen und sie in Superzeitlupe mit billiardenfacher Verlangsamung zu filmen.

Übertragungstempo könnte sich vervielfachen

Über ihre Entdeckung, die möglicherweise einen Weg zu neuen Anwendungen in der Optik weist, berichten die Forscher in der Wissenschaftszeitschrift Science. In die Oberfläche einer hochpräzisen Goldschicht haben sie eine Archimedische Spirale geritzt. Beschießt man diese mit einem ultrakurzen Laserpuls, nehmen die entstehenden Elektronenwellen, sogenannte Plasmonen, die Form der Spirale an und rotieren auf der Goldoberfläche. „Man kann also der Lichtwelle ein Bahn-Drehmoment aufprägen“, erläutert Prof. Dr. Frank Meyer-zu Heringdorf (UDE), „das könnte die Übertragungsgeschwindigkeit in einer Glasfaser verzehn- oder verhundertfachen“.

Zur Abbildung des Vorgangs bedienten sich die Wissenschaftler der Photoemissonsmikroskopie (2PPE), die nur eine Handvoll Arbeitsgruppen weltweit beherrschen. Die aneinandergefügten Bilder ergeben einen Film des rotierenden Plasmons. Festgestellt haben die Forscher, dass sich jeweils zwei Spiralen bilden: Eine auf der Goldoberfläche und eine zweite, deutlich kleinere, auf der unteren Grenzfläche, wo das Gold auf Silizium aufliegt. „Die geringe Größe könnte die Tür für optische Anwendungen öffnen, bei denen es auf möglichst kleine Wellenlängen ankommt“, erklärt Meyer-zu Heringdorf.

Mit der schnelleren Datenübertragung per Glasfaser ist noch nicht Schluss: „Wir denken auch schon drüber nach, Materie zu bewegen“, berichtet der Wissenschaftler. „Dann müsste ein Partikel im Zentrum der Spirale liegen und mit ihr interagieren.“

Publikation: * Frigge et al., Optically excited strutural transition in atomic wires at the quantum limit, Nature, doi: 10.1038/nature21432, die Internetadresse: go.nature.com/2nWOuJh

Sonderforschungsbereich 1242

Im Sonderforschungsbereich 1242 fördert die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) an der Uni Duisburg-Essen die Untersuchung der Veränderungen, die bewirkt werden durch die Stimulation durch Licht, Druck, Elektrizität oder extremen Temperaturen auf Materie.

Zu den rund 60 Wissenschaftlern im SFB gehören die Professoren Michael Horn-von Hoegen und Frank Meyer-zu Heringdorf. Die Ergebnisse der Nanoforschung führen längst zu vielfachen Anwendungen der Nanopartikel – wichtige Einsatzbereiche sind etwa Beschichtungen vom Fahrzeug bis zur Prothese in der Medizintechnik.

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