Mit einer Kombination aus ultrakurzen Laserpulsen (rot) und einem Rastertunnelmikroskop filmen Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung Prozesse in der Quantenwelt. Die Elektronen sind blau gefärbt und der Quantenprozess zeigt sich als farbige Wellen. © Dr. Christian Hackenberger

Es gibt noch viele Rätsel in der Welt der Quantentechnologie. Um zu verstehen, was auf der Ebene der kleinsten Teilchen vor sich geht, wäre es wichtig, wenn man nachvollziehen könnte, wie die Prozesse ablaufen. Die Wissenschaftler Manish Garg und Klaus Kern haben dies nun möglich gemacht. Sie haben ein Mikroskop entwickelt, mit dem man die extrem schnellen Vorgänge in der Quantenwelt filmen kann. Und das in HD-Qualität.

Diese Kamera für die Quantenwelt ermöglicht es, die Bewegungen der Elektronen bis zur Ebene des Atoms zu verfolgen. Die Wissenschaftler erwarten dadurch neue Erkenntnisse, die zur Entwicklung extrem schneller und extrem kleiner elektronischer Bauteile führen können. Das Senden von Informationen über Glasfaser könnte bis zu einer Million Mal schneller werden.

Die Prozesse in der Quantenwelt sind selbst für die scharfsinnigsten Physiker komplex. Was zum Beispiel in den immer leistungsfähigeren Komponenten von Computern oder Smartphones passiert, geschieht nicht nur extrem schnell, sondern auch auf immer kleinerem Raum. Um diese Prozesse zu analysieren und zum Beispiel Transistoren zu optimieren, könnten Aufzeichnungen über das Verhalten von Elektronen neue Erkenntnisse liefern.

Dazu benötigt man eine Hochgeschwindigkeitskamera, die jedes einzelne Bild eines solchen Elektronenfilms für nur wenige hundert Attosekunden belichtet. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde. Das ist genau die Zeit, die das Licht braucht, um durch ein Wassermolekül zu gelangen. Entsprechend kurze Laserpulse werden von den Physikern seit einigen Jahren als Attosekundenkamera eingesetzt. Eine weitere Technik zur Aufnahme von Fotos auf atomarer Ebene ist die Rastertunnelmikroskopie.

Die Quantenkamera fängt ein Elektron präzise bis zum Atom ein

Bis jetzt haben Attosekunden-Aufnahmen jedoch nur eine Momentaufnahme eines Elektrons vor einem verschwommenen Hintergrund geliefert. Dank der Arbeit von Klaus Kern, Direktor des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung, und Manish Garg, einem Wissenschaftler seiner Abteilung, können die Forscher nun genau sehen, wo sich das gefilmte Elektron befindet, sogar innerhalb eines Atoms.

“Durch die Kombination eines Rastertunnelmikroskops mit ultraschnellen Laserpulsen haben wir die Vorteile beider Methoden genutzt, um ihre jeweiligen Nachteile auszugleichen”, sagt Manish Garg. Mit den extrem kurzen Lichtblitzen feuern die Forscher auf die Spitze des mit atomarer Präzision positionierten Mikroskops und lösen damit den Tunnelprozess aus. Auf diese Weise erreicht die Hochgeschwindigkeitskamera für die Quantenwelt nun eine HD-Auflösung.

Auf dem Weg zu millionenfach schnelleren Computern

Mit der neuen Technologie können die Physiker nun auf bis zu mehrere hundert Attosekunden und ein Atom genau messen, wann sich die Elektronen wo befinden. Zum Beispiel in Molekülen, aus denen ein hochenergetischer Lichtblitz ein Elektron herauskatapultiert hat, so dass sich die verbleibenden negativen Ladungsträger neu anordnen und das Molekül möglicherweise eine chemische Reaktion mit einem anderen Molekül eingeht. “Die Fähigkeit, Elektronen in Molekülen live in ihren natürlichen örtlichen und zeitlichen Größenordnungen zu filmen, ist entscheidend, um beispielsweise die chemischen Reaktivität und die Umwandlung von Lichtenergie in geladene Teilchen, wie Elektronen oder Ionen zu verstehen”, sagt Klaus Kern, Direktor des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung.

Darüber hinaus ermöglicht es die Technologie nicht nur, die Wege der Elektronen über die Prozessoren und Chips der Zukunft zu verfolgen. Sie kann auch die Ladungsträger dramatisch beschleunigen: “Elektronen schwingen in heutigen Computern mit einer Frequenz von einer Milliarde Hertz”, sagt Klaus Kern. “Mit ultrakurzen Lichtblitzen könnte ihre Frequenz möglicherweise auf eine Milliarde Hertz erhöht werden.” Mit diesem Lichtwellenturbo würden Forscher den Weg für die Lichtimpuls-Technologie ebnen, die Computer millionenfach schneller machen könnte.

Eine Zusammenfassung der Forschung wurde am vergangenen Freitag in der wissenschaftlichen Zeitschrift Science veröffentlicht.

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Über den Autor

Author profile picture Arnoud Cornelissen schreibt schon seit Jahren u.a. in verschiedenen niederländischen Zeitungen über Wissenschaft und Technologie.