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Nanotechnologie Elektronen-Ping-Pong in der Nanowelt

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Einem internationalen Forscherteam gelingt am Max-Planck Institut für Quantenoptik erstmals die Kontrolle und Beobachtung stark beschleunigter Elektronen an Nanokugeln mit extrem kurzen und intensiven Laserpulsen. Diese Ergebnisse könnten die Grundlage für extrem schnelle Elektronikbauteile sein.

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Mechanismus der Beschleunigung von Elektronen an Nanokugeln aus Glas. Die Abbildung zeigt drei Momentaufnahmen der Beschleunigung (v.l.n.r.): 1) die Elektronen werden zum Stillstand gebracht und kehren wieder zur Oberfläche zurück, 2) die Elektronen stoßen elastisch mit der Oberfläche zusammen und prallen ab und 3) die Elektronen werden sehr stark von der Nanokugel wegbeschleunigt. (Bild: Christian Hackenberger/LMU)
Mechanismus der Beschleunigung von Elektronen an Nanokugeln aus Glas. Die Abbildung zeigt drei Momentaufnahmen der Beschleunigung (v.l.n.r.): 1) die Elektronen werden zum Stillstand gebracht und kehren wieder zur Oberfläche zurück, 2) die Elektronen stoßen elastisch mit der Oberfläche zusammen und prallen ab und 3) die Elektronen werden sehr stark von der Nanokugel wegbeschleunigt. (Bild: Christian Hackenberger/LMU)

Garching – Wenn starkes Laserlicht auf Elektronen in Nanoteilchen trifft, die aus einem Verbund von vielen Millionen Atomen bestehen, können Elektronen freigesetzt und stark beschleunigt werden. Einen solchen Effekt in Nanokugeln aus Quarz hat jetzt ein internationales Forscherteam im Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck Institut für Quantenoptik aufgezeichnet. Die Forscher beobachteten, wie sich im Laserlicht starke elektrische Felder (Nahfelder) in der Nähe der Nanoteilchen aufbauten und Elektronen freisetzten - die Nanoteilchen werden im Laserlicht ionisiert. Mithilfe der Nahfelder und kollektiver Wechselwirkungen der entstandenen Ladungen konnten freigesetzte Elektronen mit Licht soweit beschleunigt werden, dass sie die Grenzen der Beschleunigung, die an einzelnen Atomen bisher beobachtet wurde, weit überstiegen. Die genauen Bewegungen der Elektronen lassen sich präzise über das elektrische Feld des Laserlichtes steuern. Die neuen Erkenntnisse dieses durch Licht kontrollierten Prozesses könnten helfen, sehr energetische extreme, ultraviolette Strahlung (XUV) zu erzeugen. Durch die Experimente und ihre theoretische Modellierung, die die Wissenschaftler im Magazin „Nature Physics“ beschreiben, ergeben sich auch neue Perspektiven für die Entwicklung ultraschneller, lichtkontrollierter Nanoelektronik, die im Vergleich zu heutiger Elektronik um bis zu eine Million mal schneller arbeiten könnte.

Lichtpulse von fünf Femtosekunden

Der Vorgang der Elektronenbeschleunigung erinnert an einen kurzen Ballwechsel beim Tischtennis. Aufschlag, Rückgabe und noch ein schneller Schlag, der zum Punktgewinn führt. So ähnlich geht es auch zu, wenn Elektronen in Nanopartikeln mit Lichtpulsen in Berührung kommen. Einem internationalen Team, angeführt von drei deutschen Gruppen um Prof. Matthias Kling vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und der Ludwig-Maximilians Universität München, Prof. Eckart Rühl von der Freien Universität in Berlin und Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock ist nun die Beobachtung der Mechanismen und ihrer Auswirkungen eines solchen Ping-Pong-Spiels der Elektronen in Nanoteilchen unter der Einwirkung starker Laserlicht-Felder gelungen.

Die Forscher ließen hochintensive Lichtpulse, die rund fünf Femtosekunden dauerten, auf Nanoteilchen aus Siliziumdioxid (Quarzglas) im Größenbereich um 100 nm treffen. Die Laserpulse bestanden aus nur wenigen Wellenzügen. Die Nanoteilchen verfügten über rund 50 Millionen Atome. Durch die Laserpulse wurden Elektronen von den Nano-Partikeln innerhalb von Bruchteilen einer Femtosekunde freigesetzt und im Laserfeld beschleunigt. Die Elektronen bewegten sich dabei um weniger als einen Nanometer von der Oberfläche der Nanokugeln weg, wurden zurück zur Oberfläche beschleunigt und prallten dort elastisch ab (wie der Tischtennisball von dem Tischtennisschläger). Die Energie der Elektronen kann dabei sehr hohe Werte annehmen und entsprach im Experiment etwa dem 60ig-fachen der Energie eines Laserphotons bei ca. 700 nm (im roten Spektralbereich des Lichts).

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