Wie schnell entsteht der elektrische Widerstand?

16. Dezember 2011

Forscher am Max-Born-Institut in Berlin beobachteten die extrem schnelle Entwicklung des elektrischen Widerstandes in einem Halbleiter, indem sie die Bewegung der Elektronen in Echtzeit verfolgten.

Als Sie das erste Mal von elektrischem Strom hörten, haben Sie sich vielleicht gefragt, wie sich die Elektronen in einem Festkörper vom negativen zum positiven Anschluss bewegen. Es ist im Prinzip möglich, dass die Elektronen durch den Festkörper "fliegen", ohne dass sie durch die Atome oder andere Ladungen im Material beeinflusst werden. Unter normalen Bedingungen geschieht dies nicht, da die Elektronen mit den schwingenden Atomkernen oder mit Störstellen zusammenstoßen. Typisch passieren solche Stöße nach einer extrem kurzen Zeit, ca. 100 Femtosekunden (10^-13 Sekunden, ein Zehntel einer billionstel Sekunde). Damit ist die Elektronenbewegung im Material wie eine Bewegung durch eine dichte Menschenmenge, nicht wie ein Lauf eine leere Strasse entlang. Deshalb ist eine typische Elektronengeschwindigkeit nur 1 m/h (nicht km/h!), langsamer als eine Schnecke.

Obwohl die Elektronen im Material sehr häufig anstoßen, benötigen solche Stöße eine endliche Zeit. Wenn man sich durch eine Menschenmenge drängelt, gibt es dort manchmal kleine leere Bereiche, in denen man schneller gehen kann. Wenn man die Elektronen bei ihrer Bewegung auf einer sehr schnellen (Femtosekunden) Zeitskala beobachtet, würde man erwarten, dass die Elektronen nach dem Einschalten der Batterie für sehr kurze Zeit ungestört durch das Material fliegen, bevor sie an irgendwas anstoßen. Das ist genau, was Forscher am Max-Born-Institut in Berlin kürzlich getan haben und worüber sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters [Band 107, 256602 (2011)] berichten. Extrem kurze Pulse von Terahertz Licht (1 Terahertz = 10¹² Hz, 1 Billion Schwingungen pro Sekunde) wurden anstelle einer Batterie benutzt (Licht hat wie eine Batterie ein elektrisches Feld), um optisch erzeugte freie Elektronen in einem Stück Galliumarsenid zu beschleunigen. Die so beschleunigten Elektronen erzeugen ihrerseits ein weiteres elektrisches Feld. Wenn man dieses Feld mit Femtosekunden-Zeitauflösung misst, kann man daraus genau erkennen, was die Elektronen tun. Die Forscher sahen, dass die Elektronen direkt nach dem Einschalten des elektrischen Feldes ungestört beschleunigt wurden, wohingegen sich der Einfluss der Stöße erst nach etwa 300 Femtosekunden bemerkbar machte.
In dem beigefügten Film zeigen wir, was in dem Galliumarsenidkristall passiert. Elektronen (blaue Kugeln) und Löcher (rote Kugeln) zeigen zufällige Wärmebewegungen, bevor der Terahertz-Puls die Probe trifft. Das elektrische Feld (grüner Pfeil) beschleunigt Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Im Entstehen des elektrischen Widerstands wird diese Bewegung abgebremst. Dies führt zu einem aufgeheizten Elektron-Loch-Gas, das heißt zu einer schnelleren Wärmebewegung.

Diese Experimente ermöglichten es den Forschern festzustellen, welche Art Stöße hauptsächlich für den elektrischen Widerstand verantwortlich ist. Interessanterweise fanden sie heraus, dass die wichtigsten Stoßpartner nicht atomare Schwingungen sind, sondern positiv geladene Teilchen, sogenannte Löcher. Ein Loch oder Defektelektron ist ein leerer Elektronenzustand im Valenzband des Halbleiters; es hat eine positive Ladung und eine etwa 6-mal so große Masse wie das Elektron. Die optische Anregung eines Halbleiters erzeugt gleichzeitig freie Elektronen und Löcher. Diese werden durch den Terahertz Puls, unsere Batterie, in entgegengesetzte Richtungen bewegt. Da die Löcher verglichen mit den Elektronen eine viel größere Masse haben, bewegen sie sich nur langsam, aber sie stehen den Elektronen im Weg, wodurch diese abgebremst werden.

Das so gewonnene Verständnis der Prozesse, die zu einer Abbremsung von Elektronen führen, kann zukünftig zu effizienterer und schnellerer Elektronik führen und vielleicht zu neuen Tricks, den elektrischen Widerstand zu verringern.

Weitere Informationen:

Dr. Michael Wörner, Tel.: 030 6392 1470

Prof. Dr. Klaus Reimann, Tel. 030 6392 1476

Prof. Dr. Thomas Elsässer, Tel. 030 6392 1400

Carl-Ramsauer-Preis 2011 geht zweimal ans Max-Born-Institut

14. November 2011

Dr. Christian Eickhoff (auf dem Foto der 3. v. l.) und Dr. Wilhelm Kühn (auf dem Foto der 2. v. l.) sind zwei der diesjährigen Preisträger des Carl-Ramsauer-Preises der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin (PGzB). Christian Eickhoff wird für seine Dissertation an der Freien Universität Berlin ausgezeichnet, Wilhelm Kühn promovierte an der Humboldt-Universität zu Berlin; die Arbeiten dazu führten die beiden Forscheram Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) durch. Der Preis wird am 16. November2011 an der Freien Universität, Fachbereich Physik, verliehen.

Dr. Christian Eickhoff erhält den Preis für seine Dissertation mit dem Titel „Zeitaufgelöste Zweiphotonen-Photoemission an der Si(001)-Oberfläche: Dynamik heißer Elektronen und zweidimensionaler Fano-Effekt“. Er untersuchte die Si(100)-Oberfläche. Silizium ist der Grundbaustein der Halbleiterindustrie. Die voranschreitende Miniaturisierung und Effizienzsteigerung fordern ein grundlegendes Verständnis der elektronischen und dynamischen Eigenschaften der Ladungsträger an der Siliziumoberfläche.

Eickhoff konstruierte ein komplexes Experiment, bestehend aus einem Lasersystem mit weit abstimmbaren Photonenenergien und einer Ultrahochvakuumanlage mit zweidimensionaler (2D) Photoelektronendetektion. Mit einer Zeitauflösung von wenigen zehn Femtosekunden (1 fs = 10¹⁵ sec) verfolgte er die Dynamik optisch angeregter Elektronen in den Oberflächenzuständen sowie im Leitungsband von Silizium und untersuchte den Einfluss elastischer und inelastischer Streuprozesse auf Energierelaxation und Oberflächenrekombination.

Dabei konnte er erklären, wie es durch die optische Anregung der Ladungsträger zu komplexen zweidimensionalen Interferenzphänomenen kommt, die durch Fano-Resonanzen im Anfangs- und Zwischenzustand beschrieben werden können. Zum anderen zeigte er in seiner Arbeit, warum die erhöhte Temperatur heißer Elektronen im Leitungsband über eine ungewöhnlich lange Zeitspanne von vielen Pikosekunden (1 ps = 10¹² sec) bestehen bleibt. Die Extraktion heißer Elektronen wird beispielsweise für die Effizienzsteigerung in Solarzellen der dritten Generation diskutiert.

Dr. Wilhelm Kühn hat in seiner Dissertation eine neue Methode der nichtlinearen Spektroskopie im  Terahertz-Bereich (1 THz = 10¹² Hz) entwickelt und in der Festkörperphysik eingesetzt. Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Materie wird dabei in zwei unabhängigen Zeitdimensionen gemessen, um daraus 2D Spektren in der Frequenzdomäne abzuleiten. Diese Spektren geben Aufschluss über die Kopplung verschiedener Anregungen des untersuchten Systems und ihre zeitliche Entwicklung.

THz-Wellen schwingen im Vergleich zu sichtbaren Licht sehr „langsam“, eine Schwingungsperiode dauert 250 Femtosekunden. Durch Fokussierung lassen sich hohe elektrische Felder (ca. 300 kV/cm) erreichen und zur Beschleunigung von Ladungsträgern in Festkörpern einsetzen. Kühn konnte daher mit der neuen Methode die Transporteigenschaften von Elektronen im Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) untersuchen.

Dabei fand er, dass sich stark beschleunigte Elektronen nahezu reibungsfrei ("ballistisch") durch den GaAs Kristall bewegen. Bei sehr hohen Bewegungsenergien werden sie jedoch abgebremst und sogar in die Gegenrichtung beschleunigt weil ihre effektive Masse negativ wird. Die resultierenden kreisenden Elektronenbewegungen, sog. Blochoszillationen, wurden so erstmals in einem Volumenkristall nachgewiesen.

Weitere Informationen:

Dr. Christian Eickhoff, Freie Universität Berlin, Tel.: 030 838-56047
Betreuer: Prof. Martin Weinelt, Freie Universität Berlin, Tel.: 030 838-56060

Dr. Wilhelm Kühn, Tel.: 0163-7356544
Betreuer: Prof. Thomas Elsässer, Max-Born-Institut, Tel.: 030 6392 1401

Physikalische Gesellschaft zu Berlin, Geschäftsführer Prof. Dr. Holger Grahn,
Tel. 030 20377-318

Visualisierung des Kramers-Henneberger Atoms

15. September 2011

Abb. 1 Direkte Visualisierung des exotischen Kramers-Henneberger Atoms in einem Photoelektronenspektrum. Winkel- und energieaufgelöstes Photoelektronenspektrum von Kalium  mit einem 800 nm, 1,4·1013 W/cm² und 65 fs Laserpuls. (pz und pρ sind die Elektronenimpulse entlang und senkrecht zur Laserpolarisationsachse.) Bild anklicken zum Vergrößern.

1. Eichmann et al., “Acceleration of neutral atoms in strong short-pulse laser fields”, Nature, 461, 1261-1264 (2009).
2. Felipe Morales, Maria Richter, Serguei Patchkovskii and Olga Smirnova,
“Imaging the Kramers-Henneberger atom”, PNAS, doi:10.1073/pnas.1105916108.
3. Wollenhaupt M., Krug M., Köhler J., Bayer T., Sarpe-Tudoran C. & Baumert T., “Photoelectron angular distributions from strong-field coherent electronic excitation”, Appl. Phys. B, 95, 245  (2009).
4. Schuricke M., Zhu G., Steinmann J., Simeonidis K., Ivanov I., Kheifets A., Grum-Grzhimailo A. N., Bartschat K., Dorn A. & Ullrich J., “ Strong-field ionization of lithium”, Phys. Rev. A, 83, 023413 (2011).
5. W. Henneberger, “Perturbation method for atoms in intense laser fields”, Phys. Rev. Lett., 21, 838 (1968).
6. Béjot et al., “Higher-Order Kerr Terms Allow Ionization-Free Filamentation in Gases”, Phys. Rev. Lett., 104, 103903 (2010).

Weitere Informationen:

Ansprechpartner: F. Morales, M. Richter, O. Smirnova, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Elektronen und Gitterschwingungen – ein starkes Team im Nanokosmos

4. August 2011

Die Halbleiterelektronik beruht auf der Erzeugung, Steuerung und Verstärkung elektrischer Ströme in Bauelementen wie dem Transistor. Träger des elektrischen Stroms sind frei bewegliche Elektronen, die mit hoher Geschwindigkeit durch das Kristallgitter des Halbleiters wandern. Dabei verlieren sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie, indem sie die Atome des Kristallgitters in Schwingungen versetzen. In Halbleitern wie Galliumarsenid werden die positiv und negativ geladenen Ionen des Kristallgitters ausgelenkt und schwingen mit einer extrem kurzen Periodendauer von 100 fs (1 fs = 10^-15 s = 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) gegeneinander. Im Mikrokosmos der Elektronen und Ionen ist die Schwingungsbewegung quantisiert. Das bedeutet, dass die Energie dieser Schwingung nur ein ganzzahliges Vielfaches eines Schwingungsquants, eines sog. Phonons, sein kann. Bei der Wechselwirkung eines Elektrons mit dem Kristallgitter, der sog. Elektron-Phonon-Wechselwirkung, werden Energiepakete in Form einzelner Schwingungsquanten übertragen.

Wie Berliner Forscher in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichten, hängt die Stärke der Elektron-Phonon-Wechselwirkung empfindlich von der Größe des Elektrons, d.h. von der räumlichen Ausdehnung seiner Ladungswolke ab. Experimente im Zeitbereich der Phonon-Schwingungsperiode zeigen, dass für eine reduzierte Ausdehnung der Elektronenwolke eine bis zu 50fach verstärkte Wechselwirkung auftritt. Hierdurch können die Bewegungen der Elektronen und der Ionen so stark aneinander gekoppelt werden, dass die Einzelbewegungen nicht mehr erkennbar sind. Elektron und Phonon bilden ein neues Quasiteilchen, ein Polaron.

Um dieses Phänomen sichtbar zu machen, verwendeten die Wissenschaftler Nanostrukturen aus Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid, in denen die Energien der Elektronen und der Ionenbewegung aneinander angepasst waren. Die Kopplung der Bewegungen wurde mit einem neuen optischen Verfahren sichtbar gemacht. Das System wird durch mehrere ultrakurze Lichtimpulse im Infraroten angeregt und das von den bewegten Ladungen abgestrahlte Lichtfeld wird in Echtzeit gemessen. Die Messungen ergeben sog. zweidimensionale nichtlineare Spektren (s. Abb.), in denen gekoppelte optische Übergänge getrennt erscheinen und aus denen sich die Kopplungsstärke zwischen Elektronen und Phononen ableiten lässt. Aus der Auswertung der Messdaten ergibt sich die Ausdehnung der Elektronen-Ladungswolke, die nur 3-4 Nanometer (1 Nanometer = 10^-9 m = 1 Milliardstel Meter) beträgt. Darüber hinaus beweist die neue Methode erstmals den starken Einfluss der Elektron-Phonon Kopplung auf die optischen Spektren des Halbleiters. Dies bietet interessante Perspektiven für die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente mit maßgeschneiderten optischen und elektrischen Eigenschaften

Weitere Informationen:

Veröffentlichungen: W. Kuehn et al., Phys. Rev. Lett. 107 (6), 067401(5),(2011); J. Phys. Chem. B 115, 5448 (2011).

Ansprechpartner: K. Reimann, M. Wörner, T. Elsässer, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030 6392 1470

Verrückte Spektroskopie trickst Quantenphysik aus

7. Juli 2011

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts haben eine neuartige spektroskopische Methode entwickelt, welche gleichzeitig die atomare Zusammensetzung und die räumliche Struktur von Molekülen beobachtet. Sie berichten über ihre Arbeit in der Online-Ausgabe von Science.

Verschiedene Materialeigenschaften gleichzeitig zu betrachten, ist in unserem Alltag selbstverständlich: Bereits ein kleines Kind kann Bauklötze nach Farbe und Form gleichzeitig sortieren. In der Welt der Atome und Moleküle ist das nicht so einfach möglich, denn eine Gesetzmäßigkeit der Quantenphysik besagt, dass man eine Eigenschaft nicht messen kann ohne sie zu verändern.

Um Eigenschaften von Molekülen zu bestimmen, steht Wissenschaftlern heute eine Vielzahl an spektroskopischen Methoden zu Verfügung. So lassen sich beispielsweise mit der Rotationsspektroskopie molekulare Strukturen voneinander unterscheiden, weil Moleküle mit charakteristischen Frequenzen rotieren. Die Analyse mit einem Massenspektrometer „wiegt“ Moleküle und ihre Bruchstücke und gibt so Auskunft über ihre atomare Zusammensetzung. Solche Messungen konnten Forscher bislang nur einzeln oder nacheinander durchführen, jedoch nicht gleichzeitig. Die Correlated Rotational Alignment Spectroscopy, kurz CRASY, erlaubt es nun, verknüpfte („correlated“) Eigenschaften von molekularer Struktur und atomarer Zusammensetzung über Rotations- und Massenspektroskopie gleichzeitig zu bestimmen.

CRASY Experimente können Eigenschaften untrennbarer
Moleküle ermitteln, so z.B. die Struktur und Masse zweier
CS2 Isotope im Bild.

Die Forscher bedienen sich dazu eines experimentellen Tricks: Sie regen die Moleküle zunächst mit einem ultrakurzen Laserimpuls zum Rotieren an. Zeitversetzt schicken sie einen zweiten Laserpuls hinterher, der aus dem Molekül ein Elektron herausschießt, das Molekül also ionisiert. Die Drehung des Moleküls im Raum („rotational alignment“) beeinflusst die Wahrscheinlichkeit, mit der es ionisiert wird. Dieses Experiment wiederholen die Forscher vielfach, wobei die Moleküle unterschiedlich viel Zeit zum Rotieren haben. Auf diese Weise wird die Rotationsbewegung der Moleküle auf die Anzahl erzeugter Ionen und Elektronen abgebildet. Das Gewicht der entstehenden Molekülionen wird mit einem Massenspektrometer bestimmt, die Rotationsfrequenz lässt sich dann aus der zeitabhängigen Anzahl ionisierter Moleküle berechnen. Die Forscher überlisten so die Grenzen der einzelnen spektroskopischen Methoden und erhalten gekoppelte Informationen über Struktur und Masse.

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Thomas Schultz, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Elektronen-Ping-Pong in der Nanowelt

5. Mai 2011

Einem internationalen Forscherteam ist erstmals die Kontrolle und Beobachtung stark beschleunigter Elektronen an Nanokugeln mit extrem kurzen und intensiven Laserpulsen gelungen.
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. Mit Hilfe 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.

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, an dem Prof. Marc Vrakking vom Max-Born-Institut (MBI) beteiligt ist, 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 Wissenschaftler konnten damit erstmals das Phänomen dieses direkten elastischen Rückstoßes in einem kollektiven Nanoverbund beobachten und detailliert aufzeichnen. Für ihre Experimente verwendeten die Forscher polarisiertes Licht. Bei polarisiertem Licht schwingen die Lichtwellen lediglich entlang einer Achse und nicht, wie bei normalem Licht, in alle Richtungen. „Intensive Strahlungspulse können die Nanopartikel verändern oder zerstören. Daher haben wir isolierte Nanopartikel in einem Strahl präpariert, so dass für jeden Laserpuls frische Nanopartikel verwendet wurden. Dies ist entscheidend für die Beobachtung der hochenergetischen Elektronen“, erläutert Prof. Eckart Rühl von der Freien Universität Berlin.
Die beschleunigten Elektronen verließen die Atome in unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Energien. Diese Flugbahnen zeichneten die Wissenschaftler in einem dreidimensionalen Bild auf, mit dem sie die Energien und die Emissionsrichtungen der Elektronen bestimmten. „Die Elektronen werden nicht nur durch das laserinduzierte Nahfeld beschleunigt, welches selbst schon deutlich stärker als das Laserfeld ist, sondern auch durch Wechselwirkungen mit anderen Elektronen, die aus dem Nanoteilchen ausgelöst werden“, beschreibt Prof. Matthias Kling vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching das Experiment. Schließlich spielt auch die positive Aufladung der Nanopartikel-Oberfläche eine Rolle. Da sich alle Beiträge addieren, kann die Energie der Elektronen sehr hoch sein. „Der Vorgang ist komplex, zeigt aber, dass es in der Wechselwirkung von Nanoteilchen mit starken Laserfeldern noch sehr viel zu entdecken gibt“, ergänzt Kling.
Bei den Elektronenbewegungen können auch Pulse von extremem ultravioletten Licht entstehen, nämlich immer genau dann, wenn die Elektronen wieder auf die Oberfläche treffen, aber statt abzuprallen, absorbiert werden und dabei Licht abgeben. Extremes ultraviolettes Licht ist vor allem für die biologische und medizinische Forschung interessant.
„Nach unseren Erkenntnissen können über die Rekombination der Elektronen an den Nanoteilchen Energien der abgegebenen Photonen erreicht werden, die bis zu siebenfach über dem Limit liegen, das bisher für einzelne Atome beobachtet wurde“, erklärt Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock. Der Nachweis der kollektiven Beschleunigung der Elektronen mit Hilfe der Nanoteilchen bietet großes Potential. „Hieraus ergeben sich vielversprechende neue Anwendungsmöglichkeiten in einer zukünftigen, lichtkontrollierten ultraschnellen Elektronik, die um bis zu eine Million mal schneller arbeiten könnte, als konventionelle Elektronik“, ist Matthias Kling überzeugt.


Weitere Informationen:

Kontakt: Prof. Dr. Marc Vrakking, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Controlled near-field enhanced electron acceleration from dielectric nanospheres with intense few-cycle laser fields
Sergey Zherebtsov, Thomas Fennel, Jürgen Plenge, Egill Antonsson, Irina Znakovskaya, Adrian Wirth, Oliver Herrwerth, Frederik Süßmann, Christian Peltz, Izhar Ahmad, Sergei A. Trushin, Vladimir Pervak, Stefan Karsch1, Marc J.J. Vrakking, Burkhard Langer, Christina Graf, Mark I. Stockman, Ferenc Krausz, Eckart Rühl, Matthias F. Kling
Nature Physics, 24. April, doi: 10.1038/NPHYS1983

Abbildung 1:
Mechanismus der Beschleunigung von Elektronen an Nanokugeln aus Glas. Das Laserfeld (rote Welle) führt zur Freisetzung von Elektronen (grüne Teilchen), die dann vom Laserfeld vom Nanoteilchen weg und anschließend wieder zurückbeschleunigt werden.
Nach einem elastischen Stoß mit der Oberfläche der Nanokugel werden schließlich sehr hohe Energien für die freigesetzten Elektronen erreicht. Die Abbildung zeigt drei Momentaufnahmen der Beschleunigung (von links nach rechts): 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.

Abbildung 2:
Verstärkte Nahfelder an einer Nanokugel aus Glas. Die Nahfelder auf der Polachse des Teilchens sind zeitabhängig dargestellt, wobei die Zeit, wie in der dargestellten Welle, von rechts unten nach links oben verläuft. Entlang der Polarisationsachse des Lasers (entlang der Wellenkämme und Täler) zeigen die Felder eine deutliche Asymmetrie in ihrer Amplitude. Diese Asymmetrie führt zu einem höheren Energiegewinn der Elektronen auf einer Seite des Nanoteilchens im Vergleich zur anderen. Im dargestellten Fall entstehen die schnellsten Elektronen durch die maximale Feldüberhöhung auf der Rückseite des Teilchens. Die Energie der Elektronen und ihre Emissionsrichtungen werden im Experiment bestimmt.
Beide Bilder: Christian Hackenberger/LMU

Wilhelm-Ostwald-Nachwuchspreis 2010

16. Februar 2011

Die Wilhelm-Ostwald-Gesellschaft zu Großbothen e.V., die Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie und die Gesellschaft Deutscher Chemiker vergeben den Wilhelm-Ostwald-Nachwuchspreis 2010 an Herrn Dr. Ingo Barth (Max-Born-Institut Berlin) für seine außergewöhnliche Dissertation: Quantum control of electron and nuclear circulation, ring currents, and induced magnetic fields in atoms, ions and molecules by circularly polarized laser pulses.
Ingo Barth hat an der FU Berlin im Arbeitskreis von Prof. Dr. Jörn Manz promoviert. Er hat in seiner Dissertation die quantentheoretischen Grundlagen zur Anregung von Ringströmen und induzierten Magnetfeldern in Molekülen oder molekularen oder atomaren Ionen durch zirkular polarisierte Laserpulse entwickelt. Das Hauptziel ist die Erzeugung stationärer elektronischer und nuklearer Ringströme in angeregten entarteten Elektronen- und Vibrationszuständen. Der Vorteil der Anregung durch zirkular polarisierte Laserpulse besteht darin, dass sie typischerweise um zwei Größenordnungen effizienter ist, als durch externe Magnetfelder, zusätzlich erlaubt sie die Kontrolle der Ringströme. Herr Barth sagt auch voraus, dass im Zentrum solcher Ringströme gewaltige Magnetfelder herrschen.
Mit dieser Dissertation schlägt Herr Barth im Sinne Ostwalds Brücken von der Theoretischen Chemie und Physikalischen Chemie zur Theoretischen Physik und Experimentalphysik sowie zur Mathematik. Die Ergebnisse sind auch von Bedeutung für Teilgebiete der Organischen Chemie. Die Aussagen der Dissertation von Herrn Barth haben inzwischen neue Forschungsrichtungen in der Organischen Chemie, der Physikalischen Chemie und der Experimentalphysik initiiert.
Erwähnenswert ist, dass Herr Barth als Gehörloser geboren wurde und der erste Gehörlose ist, der in Deutschland in Chemie promoviert hat. Als Dozent der Gebärdensprache hat er einen Brückenschlag zu den Geisteswissenschaften geleistet. Er hat den Wortschatz der Gebärdensprache etwa um 500 Fachbegriffe aus der Theoretischen und Physikalischen Chemie erweitert.
Der Preis ist mit 2.500 Euro dotiert und wird in einer Veranstaltung der Wilhelm-Ostwald- Gesellschaft in Großbothen bei Leipzig, dem Arbeitsort des Nobelpreisträgers für Chemie 1909, Wilhelm Ostwald, am 12. März 2011 verliehen. (Ort: Wilhelm-Ostwald-Park, 04668 Großbothen, Grimmaer Str. 25, Haus Werk)

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Ingo Barth, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

BLiX - Leibniz Applikationslabor Eröffnung

4. Februar 2011

Am 4. Februar wurde BLiX, das "Berlin Laboratory for innovative X-ray Technologies" in einer Feierstunde an der Technischen Universität Berlin eingeweiht. BliX, ist ein Applikationslabor im Wissensdreieck von Universität, Forschung und Unternehmen. Es wird gemeinsam vom Institut für Optik und atomare Physik der TU Berlin und dem Max-Born Institut betrieben. Für das MBI erfüllt es die Funktion eines "Leibniz-Applikationslabors".
Angesiedelt ist BLiX an dem von einem Unternehmenskonsortium getragenen Stiftungslehrstuhl für "Analytische Röntgenphysik" (Prof. B. Kanngießer). Auf einer von der TU hochwertig ausgestatteten Fläche von ca. 250 m² werden moderne Geräte der Röntgenanalytik für Nutzer aus Forschung und Industrie zur Verfügung stehen. Das MBI hat einen neuartigen Scheibenlaser als Treiber für eine hochbrillante Plasma- Röntgenquelle entwickelt und wird ein Labor-Röntgenmikroskop, das Produkt eines BMBF-Verbundprojekts, zu BLiX transferieren. Seitens der TU stehen ein Röntgen-Analysegerät für Kunst-und Kulturgüter sowie ein neuartiges Röntgenspektrometer zur Verfügung. Abgerundet wird das Angebot von einem Seminarraum für Schulungs- und Ausbildungszwecke. Das BLiX Team umfasst zur Zeit 10 Mitarbeiter unter der Leitung von Dr. W. Malzer (TU) und Dr. H. Stiel (MBI).

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Wolfgang Malzer, Technische Universität Berlin
Dr. Holger Stiel, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Holografie mit Elektronen

16. Dezember 2010

Der Ungar Dennis Gábor entdeckte 1947 in theoretischen Arbeiten das Prinzip der Holografie, als er versuchte, die Auflösung von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Durchgesetzt hat sich die Holografie aber erstmals in den 60er Jahren mit der Erfindung des Lasers – sie funktioniert also auch mit Licht. Physiker vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin sind jetzt quasi wieder zu den Anfängen zurück gekehrt, indem sie Holografie mit Elektronen betreiben. Das besondere an ihrer Methode: Die Elektronen, welche das Objekt aufzeichnen, werden zuvor mit einem Laser aus diesem heraus geschossen, stammen also vom Objekt selbst. Die Wissenschaftler berichten darüber in der Onlineausgabe von Science.
Die Holografie, so wie sie den meisten bekannt ist, benötigt kohärentes Licht – also Lichtwellen, die in völligem Gleichklang schwingen. Das Licht wird in zwei Strahlen geteilt, die Referenzwelle und die Objektwelle. Die Referenzwelle fällt direkt auf einen zweidimensionalen Detektor, zum Beispiel eine Fotoplatte. Die Objektwelle beleuchtet ein Objekt und wird an diesem gestreut, dann fällt auch sie auf den Detektor. Dabei überlagern sich die beiden Lichtwellen und es entsteht ein Interferenzmuster, das über die dreidimensionale Form des Objektes Auskunft gibt.
Was Gábor nicht konnte, nämlich eine Quelle für kohärente Elektronenstahlen konstruieren, ist bei Physikern, die mit starken Laserfeldern experimentieren, schon fast Standard. Sie schießen mit ultrastarken, ultrakurzen Laserpulsen Elektronen aus Atomen und Molekülen heraus, dies nennt man Ionisierung. Solche Elektronen sind kohärent und bildeten deshalb die Basis für das neue Holografie-Experiment mit Xenonatomen. Marc Vrakking vom MBI beschreibt, was bei der Ionisierung grundsätzlich passiert: „Durch das starke Laserfeld werden die Elektronen vom Atom weggerissen. Weil das Laserfeld schwingt, schnipsen einige von ihnen wie von einem Gummiband gehalten wieder zurück. Sie bewegen sich also in Richtung Atom und damit haben wir eine perfekte Elektronenquelle.“
Die herausgeschossenen Elektronen haben nun verschiedene Möglichkeiten: Manche vereinigen sich wieder mit dem Atom und erzeugen dabei extrem ultra-violettes (XUV) Licht, das die Basis für die heutige Attosekundenphysik ist, eines der neuen Hauptthemen am MBI. Die meisten Elektronen fliegen aber am Atom vorbei und bilden in den Holografie-Experimenten die Referenzwelle. Die Elektronen, welche vom Atom gestreut werden, bilden die Objektwelle. Die Wissenschaftler fingen die Elektronen mit einem Detektor auf und konnten ein charakteristisches Interferenzmuster beobachten, das den dreidimensionalen Zustand des Xenonatoms wiedergibt.
Dabei waren im Experiment bestimmte Bedingungen nötig: Um ein klares holografisches Bild zu erhalten, durfte die Referenzwelle nicht von dem positiv geladenen Objekt, also dem Xenonion, beeinflusst werden. Die Elektronenquelle sollte sich deshalb möglichst weit entfernt vom Objekt befinden. Aus diesem Grund führten die Forscher die Experimente mit dem Freie-Elektronenlaser FELICE (Free Electron Laser for Intracavity Experiments) durch, der langwelliges Licht im Bereich von 4 bis 40 Mikrometer aussendet. Solche Wellen "entführen" die Elektronen besonders weit vom Atom weg, bevor sie sie wieder zurückbringen.
Die Elektronen werden bei der Ionisation mit minimalen Verzögerungen produziert, diese liegen unter einer Femtosekunde. Die Forscher konnten so über theoretische Berechnungen zeigen, dass sie zeitaufgelöste holografische Bilder erhalten hatten. Ein exaktes dreidimensionales Bild des Xenonatoms können sich die Wissenschaftler aus den Interferenzmustern zwar noch nicht konstruieren, aber Vrakking hält so etwas in Zukunft durchaus für möglich. "Wir haben erstmalig gezeigt, dass Holografie auf atomaren Größenskalen und zeitaufgelöst mit dieser Methode möglich ist", sagt er. Dies eröffne neue Möglichkeiten für die zeitaufgelöste Beobachtung von Molekülen.
Die Arbeiten erfolgten in Zusammenarbeit mit Forschern aus den FOM Instituten AMOLF und Rijnhuizen, Niederlande.
Das folgende Highlight (auch vom 16.12.2010) steht mit diesem im thematischen Zusammenhang.

Weitere Informationen:

DOI:10.1126/science.1198450
Originalmanuskript auf Anfrage

Kontakt: Prof. Marc Vrakking, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030-6392 1200, Mobil: 0151-57153446, weitere E-Mail
Prof. Dieter Bauer, Universität Rostock, Institut für Physik, Tel.: 0381 498- 6940

Das Rätsel der langsamen Elektronen

16. Dezember 2010

2009 nannte es das Journal Nature Physics die "Ionisations-überraschung". Bislang gingen Physiker davon aus, dass sie die Ionisation von Atomen durch starke Laserfelder gut verstehen würden. Aber als sie Edelgasatome mit relativ langwelligem (einige µm) Laserlicht ionisierten, konnten sie unerwartet langsame Elektronen beobachteten, die durch die gängigen Theorien nicht zu erklären waren. In der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters haben Wissenschaftler der Universität Rostock, des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik und des Max-Born-Instituts diese Beobachtung nun erklärt.
Die Ionisation von Atomen durch starke Laserfelder spielt heute in Ultrakurzpuls-Laserlaboren eine wichtige Rolle. Der Prozess ist die Grundlage für wichtige Verfahren wie zum Beispiel die Erzeugung Hoher Harmonischer Photonen, die wiederum die Herstellung von Attosekunden-Laserpulsen (1 as = 10^-18 s) ermöglichen. Mit Hilfe dieser Technik können tomographische Verfahren entwickelt werden, die die Beobachtung ultraschneller Elektron- und Atombewegungen auf einer Zeitskala von Attosekunden bis hin zu einigen Femtosekunden (1 fs = 10^-15 s) erlauben. Bereits seit einigen Jahrzehnten verwenden Physiker theoretische Methoden, mit denen sie die Starkfeld-Laserionisation beschreiben. Sie basieren üblicherweise auf der sogenannten „Starkfeld-Näherung“ (SFA). Diese nimmt an, dass nach der Ionisation die Bewegung des freien Elektrons weitgehend durch das elektrische Feld des ionisierenden Lasers bestimmt wird, während die Coulomb-Kraft zwischen dem Elektron und dem zurückbleibenden Ion kaum eine Rolle spielt.
Die Starkfeld-Näherung hat den Wissenschaftlern über Jahre gute Dienste erwiesen und zum Verständnis von vielen experimentellen Beobachtungen bei der Ionisation mit starken Laserfeldern beigetragen. Allerdings nur bis jetzt! In einer bemerkenswerten Veröffentlichung haben Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten und Deutschland 2009 über ein neues Phänomens bei der Starkfeld-Ionisation berichtet: Sie beobachteten eine ausgeprägte Signalspitze in der kinetischen Energieverteilung der Photoelektronen bei sehr niedrigen Energien, die bis zu 50 Prozent der emittierten Elektronen beinhaltet. Bemerkenswerterweise konnte die physikalische Ursache nicht ermittelt werden.
In der neuen Veröffentlichung legen die Wissenschaftler aus Rostock, Berlin und Heidelberg nun dar, dass die niedrigen Elektronenenergien durch die Coulomb-Anziehung zwischen dem wegfliegenden Elektron und dem zurückbleibenden Ion hervor gerufen werden. Sie haben eine neuartige theoretische Beschreibung des Starkfeld-Ionisationsprozesses entwickelt, die zu Beginn des Ionisationsprozesses der alten Starkfeld-Näherung entspricht, jedoch später die Bahn des Elektrons in einem kombinierten Coulomb- und Laserfeld berechnet. Dieser Ansatz konnte in überzeugender Weise die niedrigen Photoelektronenenergien wiedergeben und zeigen, dass sie durch das hin und her schwingen des Elektrons im oszillierenden Laserfeld verursacht werden. Bei diesem Prozess werden die Elektronen in die Nähe des Ions gebracht, wobei die Elektronenbahnen erheblich gestört werden. Dies führt dazu, dass die Elektronen nur knapp der Anziehung des Ions entkommen können.
Der Coulomb-korrigierte SFA-Formalismus, der auf den oben beschriebenen Interferenzen von Quantenbahnen basiert, löste nicht nur das Rätsel der „Ionisation-Überraschung“, sondern war auch bei einer verwandten Arbeit zum Auftreten holographischer Strukturen in der Starkfeld-Ionisation hilfreich, die diese Woche in Science Express erscheint.

Weitere Informationen:

10.1103/PhysRevLett.105.253002

Kontakt: Prof. Marc Vrakking, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030-6392 1200, Mobil: 0151-57153446, weitere E-Mail
Prof. Dieter Bauer, Universität Rostock, Institut für Physik, Tel.: 0381 498- 6940

Innovationspreis Berlin Brandenburg für Femtosekunden-Röntgenquelle zur Untersuchung molekularer Strukturen in Echtzeit

10. Dezember 2010

Gemeinsam mit dem Unternehmen IfG – Institute for Scientific Instruments GmbH wurde das Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) für die Entwicklung einer lasergetriebenen Röntgenplasmaquelle mit dem Innovationspreis 2010 ausgezeichnet. Das neue kompakte Gerät liefert – von einem verstärkten Kurzpulslasersystem angetrieben – Impulse harter Röntgenstrahlung mit einer extrem kurzen Dauer von 100 fs (1 fs = 10^-15s, 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) und einer Repetitionsrate im Kilohertzbereich. Diese Röntgenimpulse sind mit den optischen Impulsen des verwendeten Lasersystems synchronisiert und gestatten die Durchführung von Röntgenbeugungsexperimenten höchster Zeitauflösung. „Der Erfolg ist das Ergebnis des engen Austauschs und der intensiven Zusammenarbeit von Grundlagenforschern und Ingenieuren am Standort Berlin-Adlershof“ betonten Prof. Norbert Langhoff (IfG) und Prof. Thomas Elsässer (MBI) bei der Entgegennahme des Preises. Video
In vielen Bereichen, etwa der molekularen Biologie, der Nanotechnologie oder der Sensortechnik sind grundlegende Eigenschaften und technische Funktionen mit Bewegungen von Molekülen oder Atomschichten verknüpft. Diese vollziehen sich extrem schnell auf unvorstellbar kleinem Raum. Um solche Prozesse zu verstehen und ihre Funktion zu optimieren, muss man ihren Ablauf sichtbar machen. Dazu braucht man eine 'Kamera', die eine ultraschnelle Folge von Schnappschüssen des Systems erzeugt und damit seine momentane Struktur abbildet. Dieser Traum lässt sich mit der ausgezeichneten Femtosekunden-Röntgen-Plasmaquelle verwirklichen, die die direkte Abbildung ultraschneller atomarer und molekularer Bewegungen mit höchster Zeitauflösung gestattet.
Ultrakurze Röntgenimpulse werden in der Plasmaquelle durch die Bestrahlung eines Metalltargets, z.B. eines Kupferbandes, mit hochintensiven ultrakurzen Lichtimpulsen aus einem kommerziellen Lasersystem erzeugt. Im hohen elektrischen Feld der Laserimpulse werden Elektronen stark beschleunigt und erzeugen nach dem Eindringen in das Metall sog. charakteristische Röntgenstrahlung, ähnlich dem Prinzip einer konventionellen Röntgenröhre. Da der treibende Laserimpuls nur ca. 50 fs andauert, sind die Beschleunigung der Elektronen und damit die Dauer der Röntgenerzeugung auf dieses extrem kurze Zeitintervall begrenzt. Zur Herstellung einer Abfolge von Röntgenschnappschüssen wird der zu untersuchende Prozess mit einem ultrakurzen Lichtimpuls gestartet und der Röntgenimpuls zu einer bestimmten Verzögerungszeit an der angeregten Probe gebeugt. Durch Variation der Verzögerungszeit im Experiment entsteht eine Abfolge von Schnappschüssen, das 'Röntgen-Movie'.
Die hier entwickelte Technologie ist international konkurrenzlos und hat entscheidend zur führenden Stellung des MBI in der zeitaufgelösten Strukturforschung beigetragen. So wurde die kürzlich erstmals demonstrierte Femtosekundenbeugung an kristallinen Pulvern in der Fachpresse als herausragender Durchbruch gewürdigt. Die Arbeiten am MBI werden u.a. durch einen Advanced Grant for Pioneering Frontier Research des European Research Councils gefördert. Als neue Anwendungsfelder erschliesst die Innovation die Materialforschung, Nanotechnologie, Chemie und Pharmazie. Das Gerät wurde bisher vier Mal realisiert, ggw. werden Verkaufsverhandlungen mit vier weiteren Kunden geführt. Der erzielte Umsatz beläuft sich auf ca. 2 Mio Euro netto.

Photo: PUBLICIS Berlin GmbH Weitere Informationen:

Kontakt: Prof. Dr. Thomas Elsässer, Tel +4930 6392 1401
Prof. Dr. Norbert Langhoff, IfG, Tel +4930 6392 6500

Noch mehr Leistung für Laserkraftpakete

14. Oktober 2010

Entweder einmal mit ungeheurer Wucht oder ganz schnell in Folge - so könnte man den derzeitigen Stand in der Lasertechnologie beschreiben. Physiker des Max-Born-Instituts (MBI) in Berlin wollen in enger Zusammenarbeit mit den Diodenlaserspezialisten des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) beides verbinden. Ihr Ziel sind Laser, die hohe Einzelpulsleistungen haben und mindestens einhundert Mal pro Sekunde abgefeuert werden können. Für die Entwicklung solcher Laser erhielten die Forscher 3 Millionen Euro von der Europäischen Union (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung - EFRE). Der Gesamtetat des Projektes beträgt 6 Millionen.
Hochintensitätslaser sind ein relativ junges Produkt der physikalischen Forschung. Sie können einzelne Lichtpulse mit unvorstellbarer Leistung aussenden – weit mehr als die Leistung aller Kraftwerke dieser Welt zusammen. Dabei drängt sich die Energie des Einzelpulses auf einen Zeitraum zusammen, der deutlich kürzer ist als ein Millionstel einer millionstel Sekunde. Wegen ihrer hohen Einzelpulsleistung sind solche Laser dabei, viele Gebiete der Naturwissenschaften, Technik und Medizin zu revolutionieren. Sie dienen unter anderem der Erzeugung neuer Materiezustände, der Ultrapräzisionsbearbeitung von Materialien oder zur Erzeugung von Teilchen- oder Photonenstrahlung mit bisher unerreichten Eigenschaften. Man erwartet sogar, dass innerhalb des nächsten Jahres erstmals die Kernfusion mittels Hochintensitätslasern demonstriert werden kann – vielleicht ein Schritt zu einer vergleichsweise sauberen und praktisch unerschöpflichen Energiequelle.
Eine technologische Lücke besteht jedoch bei fast allen diesen Lasern: Die Wiederholrate ihrer Lichtpulse ist beschränkt und liegt bei 10 mal pro Sekunde (10 Hertz), oft deutlich darunter. „Wenn auch die Einzelpulse ungeheuer leistungsstark sind, die Gesamtleistung oder auch mittlere Leistung herkömmlicher Hochintensitätslaser beträgt kaum mehr als 10 Watt. Das ist vergleichbar mit einer Energiesparlampe“, sagt MBI-Direktor Professor Wolfgang Sandner, in dessen Bereich das neue Projekt angesiedelt ist.
In diese Lücke stößt die neue MBI-Laserentwicklung. Das Institut besitzt seit einigen Jahren eine weltweite Spitzenposition auf dem Gebiet von Pikosekunden-Lasern hoher Pulsenergie und Wiederholrate, also hoher mittlerer Leistung. Diese Systeme können dank einer innovativen, hocheffizienten Kühlung des Lasermaterials mehr als hundertmal pro Sekunde abgefeuert werden. „Um bei diesen Lasern die mittlere Leistung noch weiter zu steigern, wollen wir vor allem die Energie der Einzelpulse erhöhen, zunächst auf einige Joule, später wahrscheinlich auf deutlich mehr“, kündigt der MBI-Projektleiter Dr. Ingo Will an. Solche Laser hätten dann eine mittlere Leistung im Kilowattbereich mit Pulsdauern von Pikosekunden und sehr hohen Einzelpulsenergien, was bis jetzt noch von keinem Laser erreicht wird.
Dringend benötigt werden solche Laserkraftpakete zum Beispiel als technologische Basis für das europäische Großobjekt ELI. Das Kürzel steht für Extreme Light Infrastructure, den künftig weltweit leistungsstärksten Laser für die Grundlagenforschung. Erste Entwürfe für das Front-end eines 10 Petawatt Lasers, Demonstrator für das ELI-Projekt, sind bereits abgeschlossen. Der Pumplaser für dieses Frontend wird zurzeit am MBI gebaut und soll demnächst an das Institut d'Optique in Palaiseau, Frankreich, ausgeliefert werden.
Das Grundkonzept der neuen Laser ist ein vollständig dioden-gepumpter Festkörperlaser. Eine der erfolgversprechendsten Laserarchitekturen, die sogenannte Scheibenlaser-Architektur, wurde von den Kooperationspartnern IfSW Stuttgart, DLR Stuttgart und TRUMPF Lasertechnik GmbH übernommen und in den letzten Jahren mit Mitteln der Berliner Technologieförderung PROFIT und des Leibniz-SAW-Programms weiterentwickelt. Vom Projektpartner FBH kommen neuartige Pumpdioden für die Scheibenlaser. Gefördert wird das jetzt bewilligte EFRE-Projekt über die Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung des Landes Berlin. Als ersten Meilenstein im eigenen Hause wollen die MBI-Forscher mit dem neuen Laser einen weltweit einzigartigen kompakten Röntgenlaser mit Energie versorgen. Mit einer Wellenlänge von 13 Nanometern und einer Wiederholrate von 100 Hertz soll er im Labor kohärente Röntgenstrahlung erzeugen, wie es sonst nur große Freie-Elektronen-Laser wie FLASH in Hamburg können. Langfristig sollen Scheibenlaser als Energiequelle für die nächste Generation von Hochintensitätslasern dienen. Außerdem plant das MBI den Aufbau einer Hochleistungs-Attosekundenquelle in Zusammenarbeit mit Prof. Marc Vrakking, dem neu berufenen Direktor am MBI.

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Ingo Will, Tel +4930 6392 1320
s. auch Pressemitteilung Forschungsverbund

Elementarteilchen im Paartanz

16. August 2010

Forscher des Berliner Max-Born-Instituts messen die Position von Elektronen und Protonen während einer chemischen Reaktion direkt mit ultrakurzen Röntgenblitzen.
Eine chemische Reaktion erzeugt aus einem oder mehreren Ausgangsstoffen neue Substanzen. Auf der Ebene der beteiligten Moleküle ändert sich dabei die räumliche Anordnung von Elektronen und Atomkernen. Während man die Struktur der ursprünglichen und der erzeugten Moleküle häufig gut bestimmen kann, sind die Strukturen und molekularen Bewegungen während der Reaktion meist unbekannt. Ihre Kenntnis ist für ein genaues Verständnis der Reaktion aber unverzichtbar.
Ein Traum ist deshalb das "Reaktionsmikroskop", mit dem sich Moleküle während einer Reaktion beobachten lassen. Die technologischen Herausforderungen für solch ein ultraschnelles „Kino“ sind in jüngster Zeit erfolgreich gemeistert worden. Forscher am Berliner Max-Born-Institut haben jetzt mit Hilfe von Röntgenimpulsen eine chemische Reaktion in bewegten Bildern auf atomaren Längen- und Zeit-Skalen, also im Bereich von 10^-10 Metern und 10^-13 Sekunden, dargestellt.
Michael Wörner, Flavio Zamponi, Zunaira Ansari, Jens Dreyer, Benjamin Freyer, Mirabelle Premont-Schwarz und Thomas Elsässer berichten in der neuesten Ausgabe des Journal of Chemical Physics über die direkt zeitaufgelöste Beobachtung einer chemischen Reaktion in Ammoniumsulfat-Kristallen [(NH₄)₂SO₄]. Ausgehend von einem Kurzpuls-Lasersystem der neuesten Generation erzeugten sie einen 50 Femtosekunden (1 fs = 10^-15 Sekunden) langen blauen Lichtblitz, der die chemische Reaktion auslöste. Nur minimal zeitversetzt schickten sie einen synchronisierten 100 fs langen Röntgenblitz hinterher, mit dem sie mit hoher räumlicher Auflösung das Geschehen abbilden konnten. Der Röntgenimpuls wird dabei an einem Pulver aus kleinen Kristallen gebeugt (sog. Debye-Scherrer-Methode). Aus der Vielzahl gleichzeitig gemessener Beugungssignale konnten die Physiker die momentanen atomaren Abstände im Kristall und die dreidimensionale Verteilung der Elektronen innerhalb des Kristalls rekonstruieren. Durch die Aufnahme von Röntgen-Schnappschüssen zu verschiedenen Zeiten nach dem Auslösen der Reaktion entstand mit Hilfe des Stroboskop-Effekts also ein bewegter Film.
Völlig überraschend beobachteten die Berliner Physiker eine reversible chemische Reaktion, die sich grundsätzlich von den bekannten langsamen, d.h. thermischen Phasenübergängen des Ammoniumsulfats unterscheidet. Der blaue Lichtblitz führt dazu, dass zunächst das Ammonium-Ion (NH₄)+ ein Proton, also eine positive Ladung, und das Sulfat-Ion (SO₄)- ein Elektron, eine negative Ladung, abgeben. Die freigesetzten Elementarteilchen vereinigen sich dann zu einem Wasserstoff-Atom, welches schließlich zwischen zwei deutlich voneinander entfernten Positionen innerhalb des Kristalls hin und her springt. Diese Bewegung ist in dem beigefügten Film dargestellt. Die Kreise zeigen die ursprüngliche Position der Protonen an. Die roten Flecke zeigen die Bewegung der Wasserstoff-Atome im Anschluss an die chemische Reaktion.
Die hier erstmals demonstrierte Röntgen-Pulverbeugung im Femtosekunden-Zeitbereich lässt sich auf viele weitere Systeme anwenden, etwa um die Eigenschaften molekularer Magnete aufzuklären oder die Elektronenbewegungen in (bio)molekularen Lichtempfängern zu verfolgen, die in Solarzellen eingesetzt werden.

Weitere Informationen:

Search and Discovery article of Johanna Miller in Physics Today
Journal of Chemical Physics: Concerted electron and proton transfer in ionic crystals mapped by femtosecond x-ray powder diffraction
J. Chem. Phys. 133, 064509 (2010); doi:10.1063/1.3469779
Kontakt: Dr. Michael Wörner, Tel +4930 63921470
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Wie sich Elektronen bewegen

11. August 2010

Um ein Atom oder ein Molekül zu verstehen, müssen Physiker nicht nur deren inneren Aufbau kennen, sondern auch die Bewegung der Elektronen beschreiben können. Aufgrund der extrem hohen Geschwindigkeit war dies bislang nicht möglich. Nun hat ein europäisches Forscher-Team eine solche Mess-Methode entwickelt. Sie berichten darüber in den Physical Review Letters 105, 053001.
Auf der Ebene der Atome und Moleküle funktioniert unsere Alltagsvorstellung von der Welt nicht mehr. Ein Elektron stellen wir uns normalerweise als ein kleines Teilchen vor. "Das ist es auch", sagt Prof. Marc Vrakking, Direktor am Max-Born Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin. "Um es verstehen zu können, müssen wir es aber manchmal aus der quantenmechanischen Sicht betrachten und uns als Wellenpaket vorstellen." Mit dieser abstrakten Vorstellung können die Physiker dann Phänomene erklären, die hinterher wieder mit unserer Alltagsvorstellung übereinstimmen.
Da man die Bewegung eines Elektrons nicht direkt beobachten kann, weil es zu schnell ist, hat das europäische Forscher-Team die Eigenschaften des Elektrons als Wellenpaket gemessen. Sobald sie alle Eigenschaften dieses Wellenpakets kannten, waren sie in der Lage, daraus die komplette Bewegung des Elektrons abzuleiten.
Für das Experiment haben die Forscher das Prinzip der Überlagerung von Wellen verwendet, die sogenannte Interferenz. Sie sind dabei genauso vorgegangen, wie bei Experimenten mit Lichtstrahlen, bei denen regelmäßiges Licht durch zwei Schlitze fällt und auf dem Schirm dahinter helle und dunkle Streifen zu sehen sind. Die Lichtstrahlen verhalten sich dabei wie Wellen – treffen zwei Wellenberge aufeinander, ergibt sich ein heller Streifen, ein Wellenberg und ein Wellental heben sich auf und erscheinen als dunkler Streifen.
Um ein Wellenpaket zu charakterisieren, als das die Physiker das Elektron betrachten, haben sie zunächst ein zweites Wellenpaket erzeugt, analog zu dem zweiten Schlitz für den Lichtstrahl: Mit einem Attosekunden-Laserpuls haben sie dafür ein Elektron aus dem untersuchten Atom herausgelöst. Ein Attosekunden-Laserpuls dauert ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Da die Forscher diesen Laserpuls kontrollieren, kennen sie nun die Eigenschaften des heraus gelösten Elektrons – und damit auch des Wellenpakets, als das sie es sich vorstellen. Überlagern sie nun dieses erzeugte Wellenpaket mit dem unbekannten Wellenpaket, können sie aus dem Interferenzmuster auf die unbekannten Eigenschaften schließen.
Die Methode erklärt Matthias Kling vom Labor für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik: "Für ein aussagekräftiges Interferenzmuster mussten wir das unbekannte Wellenpaket zunächst auf das gleiche Energieniveau wie das von uns zuvor erzeugte bekannte Wellenpaket anheben, welches durch den Attosekunden-Laserpuls viel mehr Energie hat als das unbekannte Wellenpaket in seinem ursprünglichen Zustand. Um diese Interferenz herzustellen, haben wir einen Infrarot-Laserpuls verwendet." Bei sehr großen Energieunterschieden ergibt sich kein echtes Interferenzmuster – das wäre so, als könnte man bei den Lichtstrahlen noch erkennen, durch welchen Schlitz das Licht gefallen ist. Durch die überlagerung der beiden gleichwertigen Wellenpakete konnten die Forscher das bekannte Muster herausrechnen und erhielten so das unbekannte Muster.
Um ein Wellenpaket zu charakterisieren, müssen die Physiker dessen verschiedene Zustände kennen und wie groß die Anteile dieser Zustände am Wellenpaket sind. "Wir nennen das die Bevölkerung der Zustände", sagt Vrakking. Außerdem müssen die Phasen der Wellen bekannt sein, also die zeitliche Verschiebung gegeneinander. Wenn sie diese Faktoren kennen, kehren die Wissenschaftler wieder in unsere ganz normale Vorstellungswelt zurück und beschreiben die komplette Bewegung der Elektronen, die man sich dann wieder als Teilchen denken darf.

Weitere Informationen:

Physical Review Letters: Attosecond Electron Spectroscopy Using a Novel Interferometric Pump-Probe Technique
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.053001
Kontakt: Prof. Dr. Marc Vrakking, Tel +4930 63921200
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Ein Blick ins Innere von Molekülen

10. Juni 2010

Um eine chemische Reaktion nicht nur beobachten, sondern wirklich verstehen zu können, müssen Wissenschaftler das Verhalten der Elektronen innerhalb von Molekülen kennen. Bislang war es technisch nicht möglich, Elektronen zu beobachten, weil sie sich unvorstellbar schnell bewegen. Nun ist dies einer Gruppe von europäischen Forschern mithilfe von Attosekunden-Laserpulsen gelungen.
Eine Attosekunde ist ein milliardstel einer milliardstel Sekunde. In einer Attosekunde legt Licht weniger als ein millionstel Millimeter zurück – das ist gerade mal der Weg von einem Ende eines kleineren Moleküls zum anderen. Zum Vergleich: In einer Sekunde kann Licht unseren Globus achtmal umrunden. Und genau darum betreiben die Physiker den immensen Aufwand, solche kurzen Laserblitze zu erzeugen: Sie können damit die Bewegung der Elektronen innerhalb eines Moleküls wie in einer Fotoserie „fotografieren“.
In dem europäischen Forscher-Team arbeitete Prof. Marc Vrakking, Direktor am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin, zusammen mit Gruppen u.a. aus Mailand, Amsterdam, Lund (Schweden), Garching, Lyon und Madrid. Die Physiker haben zunächst das Wasserstoffmolekül (H₂) untersucht – es ist das am einfachsten aufgebaute Molekül mit zwei Protonen und zwei Elektronen.  Die Forscher wollten herausfinden, wie genau die Ionisation in einem Wasserstoffmolekül abläuft, bei der ein Elektron aus dem Molekül entfernt wird, und wie sich das verbliebene Elektron innerhalb des Moleküls hinterher neu anordnet.  Marc Vrakking erklärt: „Wir konnten in unserem Experiment erstmals zeigen, dass wir mit einem Attosekunden-Laser tatsächlich in der Lage sind, die Bewegung von Elektronen im Molekül zu beobachten. Unser Experiment kann man sich so vorstellen: Zunächst haben wir ein Wasserstoffmolekül mit einem Attosekunden-Laserpuls bestrahlt. Dadurch wird ein Elektron aus dem Molekül herausgelöst – das Molekül wird ionisiert. Gleichzeitig haben wir das Molekül mit einem Infrarot-Laserstrahl in zwei Teile geteilt, wie mit einer winzigen Schere. Nun haben wir uns angesehen, wie sich die Ladung auf die zwei Fragmente verteilt – weil ein Elektron fehlt, ist nun ein Teil neutral und ein Teil positiv geladen. Damit wussten wir, wo sich das verbliebene Elektron befand, nämlich im neutralen Teil.“
Schon seit den 1980er Jahren untersuchen Wissenschaftler Moleküle und Atome mithilfe von Femtosekunden-Lasern – eine Femtosekunde ist ein millionstel einer milliardstel Sekunde, also um das tausendfache „langsamer“ als eine Attosekunde. Damit lassen sich Bewegungen von Atomen und Molekülen nachverfolgen, aber kaum die von Elektronen. 2001 gelang es Forschern erstmals, einen Laserblitz mit einer Länge von 250 Attosekunden zu erzeugen. Zunächst stand die technische Entwicklung der Attosekunden-Laser im Vordergrund sowie deren gezielte Steuerung und Messung. Erst allmählich beginnen Wissenschaftler, sie für naturwissenschaftliche Fragestellungen einzusetzen.
Obwohl die Experimente des europäischen Teams mit Attosekunden-Lasern die erhofften Ergebnisse brachten, gab es für die Wissenschaftler eine Überraschung: Um ihre Messungen noch besser interpretieren zu können, bezogen sie eine Gruppe von Theoretikern von der Universität Madrid in das Projekt ein. Die Arbeit der Spanier brachte völlig neue Erkenntnisse. Dr. Felipe Morales aus Madrid, der mittlerweile am MBI arbeitet, berichtet: „Wir sind mit unseren Rechnerkapazitäten fast an die Grenzen gestoßen, eineinhalb Millionen Stunden Computerrechenzeit haben wir aufgewendet.“ Diese Berechnungen zeigten, dass die Komplexität der Fragestellung weitaus größer ist, als vorher angenommen. So zeigte sich zum Beispiel, dass auch das durch den Attosekundenpuls vom Molekül entfernte Elektron eine sehr wichtige Rolle spielt. Vrakking beschreibt es so: „Wir haben das Problem nicht gelöst, wie wir zunächst dachten, wir haben lediglich eine Tür geöffnet. Aber das macht das ganze Projekt eigentlich noch viel wichtiger und interessanter.“

Nature-Paper: Electron localization following attosecond molecular photoionization
http://dx.doi.org/10.1038/nature09084

Rekord für kürzeste kontrollierbare Zeit aufgestellt

10. Mai 2010

Optische Verfahren erlauben Echtzeituntersuchungen auf kürzesten Zeitskalen, die mit anderen Methoden nicht zugänglich sind. Mit Lasern lassen sich heute Lichtimpulse von 100 Attosekunden Dauer erzeugen (1 Attosekunde = 10^-18s = ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde). Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin haben jetzt einen Rekord für die kürzeste von Menschenhand kontrollierbare Zeit von 12 Attosekunden aufgestellt. Sie berichten darüber in Nature Photonics.
Licht ist eine elektromagnetische Welle sehr hoher Frequenz. Für sichtbares Licht dauert eine einzelne Schwingung des oszillierenden elektrischen Feldes nur etwa 1200-2500 Attosekunden. In ultrakurzen Lichtimpulsen führt das Licht nur einige wenige Schwingungen aus. Um die maximal mögliche Feldstärke zu erreichen, muss das Zentrum des Impulses mit einem Maximum des Feldes zusammenfallen, was der in Abb. (rote Linie) gezeigten Phasenlage entspricht. Impulse aus konventionellen Kurzpulslasern weisen starke Schwankungen in der Position der Feldmaxima relativ zum Impulszentrum auf und erreichen nicht stabil die maximale Feldstärke. Deshalb wurden in den letzten Jahren Verfahren entwickelt, mit denen die Lage der Feldmaxima, das heißt die Phase der Lichtschwingung, stabilisiert werden kann.
MBI-Forscher um Günter Steinmeyer haben nun gemeinsam mit der Wiener Laserfirma Femtolasers ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie die Phasenlage der Lichtschwingung außerhalb des Lasers gezielt verändern können. Dabei wird im Gegensatz zu den bisher angewandten Methoden nicht mehr aktiv in den Laser eingegriffen, wodurch Schwankungen der Laserleistung und Impulsdauer vermieden werden und eine hohe Langzeitstabilität erreicht wird. Vielmehr erfolgt die Korrektur der Phasenlage außerhalb des Lasers in einem sogenannten akusto-optischen Frequenzschieber, der direkt ohne Regelung mit dem Mess-Signal gespeist wird. "Durch diese direkte Korrektur der Phasenlage werden viele Experimente in der Attosekundenphysik und der Frequenzmetrologie dramatisch vereinfacht", ist Steinmeyer überzeugt.
Bisher war eine Stabilisierung der Lage der Feldknoten im Bereich von etwa 100 Attosekunden (10-16 s, entsprechend 1/20 der Wellenlänge) möglich, was auch den kürzesten bisher erreichten Attosekundenimpulsen entspricht. Mit der neuen Methode ist es nun gelungen, diese Begrenzung auf 12 Attosekunden (1,2 x 10^-17 s, 1/200 der Wellenlänge) zu reduzieren. Hiermit konnte erstmals die Schallmauer der atomaren Zeiteinheit (24 Attosekunden) unterschritten werden, die die Größenordnung der schnellsten denkbaren Prozesse in der Atomhülle markiert. Dieses eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung schnellster in der Natur vorkommender Prozesse.
Der Rekord wurde in enger Zusammenarbeit mit der Firma Femtolasers erreicht, die einen speziell optimierten Laser für die Experimente zur Verfügung gestellt hat. Basierend auf dieser Kooperation wurde das neue Verfahren unmittelbar transferiert. Femtolasers arbeitet bereits an einer kommerziellen Umsetzung dieses neuen Verfahrens.
Kontakt: Dr. habil. Günter Steinmeyer, Tel +4930 63921440
s. auch Pressemitteilung Forschungsverbund

Negative Masse und hohe Geschwindigkeit: Wie Elektronen eigene Wege gehen

12. April 2010

Isaac Newton fand im 17. Jahrhundert heraus, dass eine Kraft die Beschleunigung eines Körpers bewirkt. Die träge Masse des Körpers entspricht dem Verhältnis von Kraft zu Beschleunigung, d.h. bei gleicher Kraft erfährt ein leichter Körper eine größere Beschleunigung als ein schwerer. Die Masse des Körpers ist positiv, d.h. die Beschleunigung erfolgt in der Richtung der Kraft. Geladene Elementarteilchen wie das freie Elektron, dessen Masse nur 10^-30 = 0,...(29 Nullen !)...1 Kilogramm beträgt, lassen sich in elektrischen Feldern auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Auch die Bewegung von Elektronen in Kristallen folgt dieser Gesetzmäßigkeit, sofern die elektrischen Felder klein sind. In diesem Regime besitzt das Kristallelektron eine Masse, die nur einen Bruchteil der Masse des freien Elektrons beträgt.
Wilhelm Kühn, Michael Wörner, Klaus Reimann und Thomas Elsässer vom MBI haben jetzt gezeigt, dass Kristallelektronen in extrem hohen elektrischen Feldern ein völlig anderes Verhalten zeigen und ihre Masse sogar negative Werte annimmt. Wie sie in der neuesten Ausgabe von Physical Review Letters 104, 146602 (2010)berichten, wurde das Elektron zunächst in einer extrem kurzen Beschleunigungphase von nur 100 Femtosekunden = 0,000 000 000 000 1 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von 4 Millionen Stundenkilometern gebracht. Danach bremst das Elektron in einem ähnlichen Zeitraum ab und kehrt dann seine Bewegungsrichtung sogar um. Diese der Kraft entgegengerichtete Beschleunigung lässt sich nur durch eine negative träge Masse des Teilchens erklären.

In den Experimenten werden Elektronen in dem Halbleiterkristall Galliumarsenid durch einen extrem kurzen elektrischen Impuls beschleunigt, dessen Feldstärke 30 Millionen Volt pro Meter beträgt. Gleichzeitig wird mit hoher Präzision die Geschwindigkeit der Elektronen als Funktion der Zeit gemessen. Der Zeitraum des elektrischen Impulses beträgt nur 300 Femtosekunden. Diese extrem kurze Dauer ist erforderlich, da sonst der Kristall zerstört werden kann.

Dieses neue Ergebnis stimmt mit Berechnungen überein, die der Nobelpreisträger Felix Bloch vor mehr als 80 Jahren durchführte. Es eröffnet einen bisher nicht zugänglichen Bereich des Ladungstransports, der neue Perspektiven für zukünftige Bauelemente der Mikroelektronik aufzeigt. Die hier beobachteten Bewegungsfrequenzen liegen im Terahertzbereich (1 THz = 1000 GHz = 10¹² Hz) und damit etwa 1000 mal höher als die Taktrate der neuesten PC Generation.
s. auch Pressemitteilung Forschungsverbund

Olga Smirnova erhält den Karl-Scheel-Preis 2010

5. Februar 2010

Dr. Olga Smirnova, Leiterin der Juniorgruppe Theorie "Attosecond multielectron dynamics in molecules" am MBI, erhält den Karl-Scheel-Preis des Jahres 2010. Der bedeutendste Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin (PGzB) wird für eine herausragende, wissenschaftliche Arbeit vergeben, die in der Regel nach der Promotion entstanden sein soll, und ist mit 5.000 € dotiert. Die Preisverleihung findet am Freitag, den 25. Juni 2010, ab 17:15 Uhr im Magnus-Haus (Berlin, Kupfergraben) im Rahmen der jährlichen Karl Scheel Feier der PGzB statt. Mehr zum Preis ...

Der Geheime Regierungsrat Dr. Ing. h.c. Karl Scheel (1866-1936) war ein Berliner Physiker. Von 1913 bis 1931 war er Leiter der physikalisch-technischen Abteilung der Physikalisch Technischen Reichsanstalt (heute PTB).  Er war Herausgeber verschiedener Publikationen, darunter „Landolf-Börnstein: Physikalisch-Chemische Tabellen“ (mit Walther Roth), Handbuch der Physik“ (mit Geiger) und  „Physikalisches Handwörterbuch“ (mit Berliner). Aus seiner Hinterlassenschaft an die Physikalische Gesellschaft zu Berlin wird u.a. der jährliche Karl-Scheel-Preis im Rahmen einer Gedächtnisfeier vergeben.

Die 1845 gegründete Physikalische Gesellschaft zu Berlin (PGzB) ist einer der ältesten wissenschaftlichen Vereine in Deutschland. Sie war zusammen mit anderen regionalen Gesellschaften Vorgängerin der 1963 gegründeten Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) und ist heute einer deren Regionalverbände.

Moleküle in Echtzeit – wie Wasserstoffbrücken Struktur und Funktion bestimmen

5. Januar 2010

Prof. Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin erhält vom Europäischen Forschungsrat (ERC) einen „Advanced Grant“ in Höhe von 2,49 Millionen Euro. Ziel des ausgezeichneten Forschungsprojekts ist die Aufklärung extrem schneller Prozesse, die die Eigenschaften von Wasserstoffbrücken in molekularen Systemen bestimmen.

Thomas Elsässer ist einer der international führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Erforschung ultraschneller Prozesse in kondensierter Materie. Sein Projekt dient der Aufklärung molekularer Strukturänderungen auf der Längenskala einer chemischen Bindung und auf der ultrakurzen Zeitskala molekularer Bewegungen. Es schlägt damit eine Brücke zwischen Physik, Chemie und Biologie. Die „ERC Advanced Grants“ werden für herausragende Forschungsprojekte renommierter Wissenschaftler aus ganz Europa vergeben und sind heiß begehrt.

Wasserstoffbrücken sind als schwache chemische Bindungen eine der fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur. Sie bestimmen einerseits die Struktur biologischer Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure (DNS), des Trägers der genetischen Information in der Zelle. Andererseits unterliegen Wasserstoffbrücken auf Grund ihrer geringen Bindungsstärke Fluktuationen, die beispielsweise in Wasser zu extrem schnellen Veränderungen in der Anordnung der Wassermoleküle führen. Dabei werden Wasserstoffbrücken immer wieder gebrochen und neu geformt. Trotz intensiver Forschung ist die strukturelle Dynamik von Wasserstoffbrücken, die wesentlich im Femtosekundenbereich abläuft (1 Femtosekunde = 10^-15 s = 1 Millionstel einer Milliardstel Sekunde), erst in Ansätzen bekannt.
Im Rahmen des ausgezeichneten Projekts werden neuartige Methoden der Ultrakurzzeitoptik vom Infrarot- bis zum Röntgenbereich für die Untersuchung von Wasserstoffbrücken eingesetzt. Ziel ist die Bestimmung molekularer Strukturen in Echtzeit, d.h. molekulare Prozesse werden mit ultrakurzen Lichtimpulsen ausgelöst und verfolgt. Mit Röntgenimpulsen, deren Wellenlänge ungefähr der Länge einer chemischen Bindung entspricht, lässt sich dabei direkt eine Abfolge von "Schnappschüssen" der Molekülstrukturen aufnehmen. Infrarotimpulse geben Einblick in lokale Bewegungen und Kopplungen molekularer Gruppen. In den Experimenten wird die Wechselwirkung von DNS-Molekülen mit ihrer wässrigen Umgebung untersucht, d.h. die Kopplung von Wassermolekülen an verschiedene Einheiten der DNS-Doppelhelixstruktur, die Fluktuationen der Wasserhülle um die DNS und die Rolle des Wassers für die Umverteilung und den Transport von Energie aus der DNS in ihre Umgebung. Da Wasserstoffbrücken bei nahezu allen biochemischen Reaktionen eine wichtige Rolle spielen, kommt den Ergebnissen eine universale Bedeutung zu. In einem weiteren Projektteil werden in wasserstoffverbrückten molekularen Kristallen Strukturen bestimmt, die durch die Umverteilung von Ladungen und den Transport von Protonen entstehen. Diese elementaren chemischen Prozesse sind entscheidend für die elektrischen Eigenschaften der Kristalle, die als Ferroelektrika Anwendungspotential für neuartige elektronische Bauelemente besitzen.

Informationen zur Person Thomas Elsässer sind unter http://staff.mbi-berlin.de/elsasser/ zu finden.

Lichtdruck – der Weg zur effizienten Ionenbschleunigung mit Lasern

9th December 2009

Die gerichtete Beschleunigung der Ionen mit Lasern ist eine der gegenwärtigen Herausforderungen auf dem Gebiet der Licht-Materie Wechselwirkung. Dieser Prozess kann durch eine Reihe laser-induzierter Phänomene im Plasma, jedoch gezielt durch den Übertrag des gerichteten Impulses des Laserfeldes, dem sogenannten Lichtdruck, realisiert werden.
Die Nutzung des Lichtdruckes erfordert enorme Anforderungen an die Laserintensität und die zeitliche Form des Laserpulses. Dafür sagt die Theorie einen großen Energieübertrag vom Laserfeld in den zu erzeugenden Ionenstrahl und eine recht schmale Energieverteilung voraus, die beide Voraussetzungen für viele Anwendungen sind.
Physiker des Max Born Institutes (MBI) in Berlin und des Max Planck Institutes für Quantenoptik (MPQ) in Garching sowie der LMU in München konnten dieses Prinzip jetzt in Experimenten (Phys. Rev. Lett. 103 (24), 245003(2009)) demonstrieren. Der Schlüssel zum Erfolg liegt dabei in der Bevorzugung des Impulsübertrages zwischen Laserfeld und Target während gleichzeitig ein unerwünschtes Aufheizen der Elektronen im Target unterdrückt wird. Das wird durch die Erzeugung von Laserpulsen mit einem ultra-hohen zeitlichen Kontrast (durch den Höchstfeldlaser des MBI-Berlin), die ultra-dünne Diamantfolien (hergestellt am MPQ/LMU) bestrahlen, erreicht. Die Resultate demonstrieren eine effiziente Ionenstrahlgeneration bei einer gleichzeitigen Reduktion der kinetischen Energieverteilung der Ionen.
Siehe auch Informationsdienst Wissenschaft in englisch und Informationsdienst Wissenschaft in deutsch

Kohlensäure erstmals gemessen in flüssigem Wasser

Kohlensäure, die hydratierte Form von Kohlendioxid, ist eins der meist allgegenwärtigen Moleküle auf der Erde. Kohlensäure (H₂CO₃), hat man allerdings bisher nur isoliert in der Gasphase und eingefroren in Eismatrizen gemessen. Adamczyk et al. beschreiben in einer Veröffentlichung in Science Express (12. November 2009) wie Kohlensäure mit Photosäuren transient generiert und mit ultraschneller Schwingungsspektroskopie detektiert werden kann . Mehr Information: siehe Pressemitteilung (auf deutsch) und Glanzpunkt und detaillierte Projektseiten.

Die bisher größte Beschleunigung von neutralen Teilchen im Labor konnten Laserphysiker des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) erzielen. Sie berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von Nature. Der renommierten Wissenschaftszeitschrift waren diese Ergebnisse sogar die Titelgeschichte wert.
s. auch
Pressemitteilung Forschungsverbund
Making the paper, Nature 461, 1171 (2009)
Nature Cover
s. auch Artikel in:
Physics Update, Physics World, ProPhysik, scinexx, spektrumdirekt, chemie.de

Teilchenbeschleuniger im Miniaturformat: Mikro-Wassertröpfchen als Quelle für Laser-Ionenbeschleunigung

In der kürzlich veröffentlichen Ausgabe von Physical Review Letters (Vol. 103 Issue 13) wurde eine Veröffentlichung des Max-Born-Institutes für das Titelbild ausgewählt. In dieser Publikation (T.Sokollik et al., PRL 103, 135003 (2009)) wurde erstmals die Protonenbeschleunigung an sphärischen isolierten Targtes mit Hilfe von "Protonen Imaging" untersucht. Schon in einer früheren Arbeit (S. Ter Avetisyan et al. PRL 2006) fanden Forscher des MBI heraus, dass durch die Interaktion eines intensiven Laserpulses mit Mikro-Wassertropfen, quasi-monoenergetische Protonen erzeugt werden können. Simulationen zeigten eine räumlich, asymmetrische Feldstruktur, die eine gerichtete Ionen Emission zur Folge hat. Dies konnte nun mit Hilfe des "Protonen Imaging" an Mikro-Wassertropfen nachgewiesen werden. Ein Vorteil dieses Target Systems ist die die hohe Wiederholrate mit denen die Wassertropfen erzeugt werden können (MHz). Es zeigte sich aber auch, dass das verdampfende Wasser im Vakuum einige Nachteile mit sich bringt. So beeinflusst das dadurch entstehende, umgebende Plasma den Energietransfer zwischen Laserpuls und Ionen negativ. Dies zu verhindern und weitere fundamentale Mechanismen an isolierten Targets zu erforschen ist Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Attosekundenkino für Elektronenlöcher

Forscher können erstmals "live" verfolgen, wie sich die elektronischen Zustände im Inneren eines Moleküls verändern, das durch ein starkes Laserfeld ionisiert wird. Beim Ionisieren tritt ein Elektron aus dem Molekül aus und im zurückbleibenden Ion müssen sich die elektronischen Zustände neu ordnen. Dies passiert in unvorstellbar kurzen Zeitskalen – den Attosekunden. Forscher um Dr. Olga Smirnova vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie und vom National Research Council of Canada konnten diese Vorgänge mit Hilfe der so genannten "High Harmonic Generation Spectroscopy" aufzeichnen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der aktuellen Ausgabe von Nature (22.07.2009) doi:10.1038/nature08253.
Mehr Information: Pressemitteilung Forschungsverbund

Multispot Schreiben in geschmolzenem Quarz

Nature photonics hat eine der jüngsten Publikationen aus der laufenden Zusammenarbeit des MBI mit der Université Jean Monnet at Saint Etienne, France, als eines ihres Research Highlights ausgewählt. Wir zitieren aus "Multispot writing in fused glass”, Opt. Express 17, 3531–3542 (2009). Aufgrund ihres stark deterministischen und nichtlinearen Absorptionsprozesses bietet das Laser-Schreiben mit Infrarot-Femtosekundenlasern die Möglichkeit zur Erzeugung eingebetteter, lokalisierter struktureller Änderungen in transparenten Materialien. Durch Verschieben der Probe bezüglich des Laserfokus, können dreidimensionale Strukturen eingeschrieben werden. Jedoch erfordert die Fertigung komplexer Strukturen oft eine lange Bearbeitungszeit. Wie C. Mauclair und seine Mitarbeiter aus Frankreich und Deutschland gezeigt haben, kann das Geschwindigkeitsproblem durch parallele Bearbeitung unter Nutzung multipler Laserspots mit einstellbarem Muster gelöst werden. Der Trick besteht in der Nutzung einer periodischen binären Phasenmaske um die Wellenfront des Laserstrahls räumlich zu modulieren. Durch Variation der Periode der binären Phase konnte das Team zeigen, dass durch eine einfache Gitterphasenmaske eine dynamische Doppelspotbearbeitung erreichbar ist. Es wurde ein Flüssigkristallmodulator benutzt, der optisch angesteuert wurde, um eine binäre Phasenmaske zu erzeugen. Zur Bearbeitung wurde ein Ti:Sa-Laser mit einer Pulsdauer von 150 fs, einer Wellenlänge von 800 nm, der Folgefrequenz von 10 kHz und einer Leistung von 30 mW genutzt. Durch Kontrolle der Probenbewegung konnte das Team erfolgreich dreidimensionale Wellenleiterstrukturen wie Teiler und Wellenlängendemultiplexer in geschmolzenem Quarz einschreiben. Die Mitarbeiter des Teams sind zuversichtlich, dass mit genügend Energie die Anzahl der bearbeitenden Foki erhöht werden kann.

Heiße Elektronen in Kohlenstoff - Graphit verhält sich wie ein Halbleiter

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin, Markus Breusing, Claus Ropers und Thomas Elsässer, haben jetzt das Verhalten von Elektronen in dünnen kristallinen Graphitschichten in Echtzeit untersucht. Wie sie in der Zeitschrift Physical Review Letters (Band 102, Ausgabe 08, 086809/1-4, 2009) berichten, zeichneten sie die Bewegungen der Elektronen mit einer bisher unerreichten Zeitauflösung von 10 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist das Millionstel einer Milliardstel Sekunde) auf. Dazu regten sie Elektronen mit ultrakurzen Laserimpulsen in Zustände hoher Energie an und beobachteten ihre Rückkehr zum Gleichgewicht. Einzelne Schritte dieses Ablaufs lassen sich zeitlich trennen und so die momentane Verteilung der Elektronen auf verschiedene Zustände bestimmen. Innerhalb von 30 Femtosekunden bilden die Elektronen ein heißes Gas mit einer extrem hohen Temperatur von 2500 °C aus, das im Kristall innerhalb von nur 500 Femtosekunden auf etwa 200 °C abkühlt. Die dabei freiwerdende Energie wird an das Kristallgitter übertragen. Danach kehren die Elektronen auf einer deutlich langsameren Zeitskala in ihre ursprünglichen Zustände zurück. Diese Untersuchungen zeigen erstmals eindeutig, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter, also etwa wie Silizium oder Galliumarsenid, und nicht wie ein Metall verhält.
Mehr Information: Pressemitteilung Forschungsverbund

Ionisationsdynamik im Licht von elliptisch polarisierten Femtosekunden-Laserimpulsen

Wissenschaftler des MBI (I.V. Hertel, I. Shchatsinin, T. Laarmann, N. Zhavoronkov, H.-H. Ritze, and C. P. Schulz) haben jetzt gezeigt, dass man mit elliptisch polarisierten, ultrakurzen Lichtimpulsen einen sehr klaren Einblick in die Dynamik von Ionisationsprozessen in intensiven Laserfeldern gewinnen kann. So konnten Sie am Fußballmolekül C₆₀ (Buckminsterfulleren) nachweisen, dass zur Ablösung eines oder mehrerer Elektronen aus dem Molekül zunächst ein sogenannter "Tor-Zustand" angeregt wird. In der Folge wird dann das Molekül durch das Laserfeld so stark deformiert, dass sich viele weitere Elektronen an diesem Prozess beteiligen und einige davon schließlich das Molekül verlassen können – auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden.
Die kürzlich in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit (Phys. Rev. Lett. 102, 023003 (2009)) wurde auch in die Virtuellen Journale über "Ultrafast Science" und "Nanoscale Science & Technology" aufgenommen.

Carl-Ramsauer-Preis 2008 ging gleich zweimal ans Max-Born-Institut

Dr. Claus Ropers (31) und Dr. Anke B. Schmidt (31) sind zwei der diesjährigen Preisträger des Carl-Ramsauer-Preises der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin. Claus Ropers wurde für seine Dissertation an der Humboldt-Universität ausgezeichnet, Anke B. Schmidt promovierte an der Freien Universität; die Arbeiten dazu führten die beiden Forscher am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) durch. Der Preis wurde am 19. November in der Universität Potsdam verliehen.
Mehr Information: Pressemitteilung Forschungsverbund

Ungebremste Lichtblitze

Eine neuartige Faser leitet ultrakurze Lichtimpulse mit höchster Präzision weiter.
Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) haben eine neuartige optische Faser entwickelt, die mit noch nie dagewesener Präzision ultrakurze Lichtimpulse weiterleiten kann. Die Forscher übertrugen Lichtpulse einer Dauer von 13 fs (1 Femtosekunde = 1 fs = 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) über eine Länge von einem Meter, wobei sich die Dauer der Impulse nur etwa verdoppelte. "Keine andere Fasertechnologie kann das momentan leisten", sagt Dr. Günter Steinmeyer. In den Experimenten der Forscher dehnten andere, ähnlich gebaute Fasern den gleichen Impuls dagegen auf fast 50-fache Dauer aus. Die neuen Fasern könnten beispielsweise in der Medizin zur Anwendung kommen, um Femtosekundenimpulse flexibel zum Patienten zu übertragen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der aktuellen Online-Ausgabe von Nature Photonics(doi:10.1038/nphoton.2008.203).
Mehr Information: Pressemitteilung Forschungsverbund

Wasserstoffbrücken: Wissenschaftler finden neuen Mechanismus

Wasser ist allgegenwärtig und ist die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Die Vorgänge, die sich auf molekularer Ebene im Wasser abspielen, sind jedoch noch immer nicht in allen Einzelheiten verstanden. Bernd Winter und Kollegen vom Berliner Elektronenspeicherring BESSY und vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) konnten jetzt eine bislang unbekannte Eigenschaft des negativ geladenen Ions des Wassers, des Hydroxidions (OH-), nachweisen. Sie berichten darüber in in dem angesehenen Wissenschaftsjournal Nature (E.F. Aziz, N. Ottosson, M. Faubel, I.V. Hertel, und Winter, B., Nature, 455, 89-91,2008)

Der Kristall schlägt zurück

Der Kavalierstart von Elektronen in einem Kristall bleibt nicht ohne Folgen für ihr weiteres Schicksal. Das berichten die Berliner Forscher Peter Gaal, Wilhelm Kühn, Klaus Reimann, Michael Woerner und Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut sowie Rudolf Hey vom Paul- Drude-Institut in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Nature (Bd. 450, Seite 1210). Sie untersuchten die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in einem Galliumarsenidkristall, der für kurze Zeit einem sehr hohen elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Dieses auch konzeptionell neue Experiment zeigt erstmals eine kollektive, ultrahochfrequente Zitterbewegung der Elektronen, die zusätzlich zur bekannten räumlichen Drift dieser Teilchen auftritt. Der neu entdeckte Effekt könnte bei der Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen eine wichtige Rolle spielen.
Mehr Information: Projekt 3-02,  Pressenotiz AlphaGalileo

Molekulare Pirouetten - Forscher aus Berlin und München sehen Molekülen dabei zu, wie sie sich bei photochemischen Reaktionen ultraschnell ausrichten

Ultraschnelle Trennung von elektrischer Ladung innerhalb eines Moleküls während einer photochemischen Reaktion veranlasst bis zu zehntausend Nachbarmoleküle sich in molekularen Pirouetten neu zu orientieren. Jetzt haben Forscher zum ersten Mal eine solche durch Licht hervorgerufene Ausrichtung von Molekülen in einem organischen Kristall direkt beobachtet. Die Wissenschaftler aus dem Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin und der Ludwig-Maximilians-Universität in München berichten darüber in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters (Band 98, Seite 248301).
Für ihre Studie erzeugten sie mit extrem kurzen Lichtimpulsen eine Trennung von positiver und negativer elektrischer Ladung in einzelnen Molekülen, auf welche die Moleküle der Umgebung dann mit einer Änderung ihrer räumlichen Ausrichtung reagieren. Diesen grundlegenden Prozess erfassten die Forscher erstmals durch Beugung von Femtosekunden-Röntgenimpulsen mit hoher Präzision und in Echtzeit.
Mehr Infornmation: Projekt 3-04

Nature wählt zwei kürzlich erschienene MBI-Veröffentlichungen für ihren News and Views Teil aus

Zwei vor kurzem erschienene Publikationen aus dem MBI zu Protonentransfer in Wasser und zu ultrakurzen Elektronenimpulsen sind in dem News and Views Abschnitt von Nature Magazine vorgestellt worden.
James T. Hynes hebt in der Ausgabe vom 15. März 2007 die Arbeit hervor, die gezeigt hat, dass der Protonentransfer in wässriger Lösung eine baseninduzierte Reaktion sein kann. Mehr Informationen: siehe Beitrag in News and Views of Nature, die ursprüngliche Publikation in Angewandte Chemie und unsere Projektseiten.
In der Ausgabe vom 29. März 2007 diskutieren Herman Batelaan und Kees Uiterwaal die Entwicklung einer lokalen Femtosekunden-Elektronenquelle auf der Basis von scharfen Metallspitzen. Mehr Informationen: siehe Beitrag in News and Views of Nature, die ursprüngliche Publikation in Physical Review Letters und unsere Projektseiten.

Titelblatt ChemPhysChem 5/2007: Relaxation angeregter Zustände in protoniertem Adenin

Die zeitaufgelöste Untersuchung isolierter Chromophore hat Tradition am MBI. Dirk Nolting und Mitarbeiter haben diese Methode nun auf protonierte Biomoleküle erweitert. Für die DNA Base Adenin wurde eine beschleunigte Umwandlung von elektronischer in Kernbewegung beobachtet, eine Eigenschaft die zerstörerischen photochemischen Prozessen entgegenwirkt.
Das Titelblatt zeigt eine Potentialenergiefläche für das protonierte Adenine. Im Vordergrund ist die Struktur des kalten Grundzustands vor Photoanregung zu sehen. Im Hintergrund ist die Struktur nach UV-Photoanregung zu einer nichtplanaren Geometrie verformt. Die Strukturänderung führt zu schneller interner Konversion und wurde durch transiente Massenspektroskopie mit femtosekunden Pump-Probe Pulsen untersucht.
Mehr Information: ChemPhysChem (April 2, 2007)

Elektronenblitze für die Nanowelt – neue Quelle für ultrakurze Elektronenimpulse

Forscher des MBI haben eine neuartige Quelle für extrem kurze Elektronenimpulse vorgestellt. Es handelt sich um eine hauchfeine Spitze aus Gold, die mit ultrakurzen Lichtimpulsen zum Aussenden von Elektronen angeregt wird. Die speziellen Bedingungen des Anregungsprozesses führen zu einer extrem kurzen Dauer der Elektronenimpulse von weniger als 0,02 Pikosekunden (20 Femtosekunden), wodurch die Untersuchung ultraschneller Prozesse in Nanosystemen möglich wird.
Mehr Information: C. Ropers et al., Physical Review Letters, Bd. 98, 043907 (2007), Pressemitteilung.

Die externe Evaluierung des MBI wurde mit hervorragendem Ergebnis abgeschlossen

Am 23.11.2006 verabschiedete der Senat der Leibnizgemeinschaft die uneingeschränkte Förderempfehlung für die nächsten 7 Jahre und stellte fest, dass das MBI "eines der weltweit führenden Institute auf dem Gebiet der nichtlinearen Optik und Kurzzeitdynamik bei der Wechselwirkung von Materie mit Laserlicht" sei.
Pressenotiz Leibnizgemeinschaft, Pressenotiz Forschungsverbund Berlin e.V.

"J. Phys. B's 2006 Highlights", ausgewählt von den Herausgebern des Journal of Physics B

Zwei der 24 Highlights des Jahres 2006 stammen aus dem Projekt 2-02.

Topical Review: "Above-threshold ionization by few-cycle pulses", D. B. Milosevic, G. G. Paulus, D. Bauer, and W. Becker, J. Phys. B 39, R203-262 (2006)
Der Begriff 'Above-Threshold Ionisation' bezieht sich auf die Eigenschaften des winkelaufgelösten Elektronspektrums, das bei der Ionisation von Atomen durch intensive Laserpulse gemessen wird. Seit 25 Jahren hat dieser Effekt bei der Aufklärung der Wechselwirkung von Laserlicht mit Atomen eine entscheidende Rolle gespielt. Durch die Verfügbarkeit von Laserpulsen mit einer Dauer von nur wenigen Zyklen, deren zeitlicher Verlauf obendrein kontrolliert werden kann, hat man in den letzten Jahren neue Seiten dieses faszinierenden Effekts verstanden.
Letter to the Editors: "Attosecond electron thermalization by laser-driven electron recollision in atoms", X. Liu, C. Figueira de Morisson Faria, W. Becker, and P. B. Corkum, J. Phys. B 39, L305-311 (2006)
In der Arbeit wird die Rückstreuung als Mechanismus der nichtsequentiellen Mehrfachionisation von Atomen untersucht. Ein sehr einfaches, fast analytisch lösbares Modell kann die Daten der Heidelberg Gruppe für dreifache und vierfache Ionisation von Neon [K. Zrost et al., J. Phys. B 39, 40 (2006)] sehr gut beschreiben. In dem Modell wird eine Verzögerung angenommen zwischen der Zeit der Rekollision und dem späteren Zeitpunkt, zu dem die Elektronen das Ion verlassen. Diese Zeit liegt im Attosekundenbereich.

Aktuelles Förder-Ranking der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

Beim aktuellen Förder-Ranking der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) schneidet das Max-Born-Institut hervorragend ab. Drittmitteleinwerbung bei der DFG gilt als eines der wichtigsten Qualitätsmerkmale bei der Bewertung der Forschungsleistungen in Deutschland. Das MBI steht dabei unter über 170 gelisteten Forschungseinrichtungen auf Platz 16. Es ist eines der ganz wenigen außeruniversitären Forschungseinrichtungen, die in diesem auf die Hochschulen konzentrierten Bericht wegen ihrer guten Vernetzung mit den Universitäten im Text namentlich genannt werden. Diesen Aspekt machen auch die von der DFG erstellten Übersichtskarten über Netzwerke in der Physik und in der Chemie sehr deutlich.

Klaus Tschira Preis 2006 für MBI Doktorand

Dr. Nils Huse erhält den Klaus Tschira Preis für verständliche Wissenschaft 2006 für seine klare Darstellung von Forschungsergebnissen: Das kurze Gedächtnis des Wassers. In seinem Beitrag schildert er, wie die moderne Experimentalphysik die Anomalien von Wasser erforscht. Die Preisverleihung fand am 12. Oktober 2006 in der Alten Aula der Universität Heidelberg statt. Mehr Information: siehe Beitrag in Bild der Wissenschaft Plus (auf deutsch) und Projektseiten.

Lise-Meitner Preis 2006 für MBI Doktorand

Dr. Nils Huse erhält Lise-Meitner Preis 2006 für seine herrausragende Doktorarbeit "Multidimensional Vibrational Spectroscopy of Hydrogen-Bonded Systems in the Liquid Phase Coupling Mechanisms and Structural Dynamics"auf der Festveranstaltung des Instituts für Physik und der Vereinigung der Freunde und Förderer des Instituts für Physik e.V. der Humboldt Universität zu Berlin. Die Preisverleihung fand am 20. Juli 2006 an der Humboldt Universität zu Berlin statt. Mehr Information: siehe Pressemitteilung (auf deutsch) und Projektseiten.

Walter-Schottky-Preis 2006 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) für Heisenberg-Stipendiaten

Dr. Manfred Fiebig und seinen Kollegen gelang am MBI erstmals der experimentelle Beweis dafür, dass elektrische und magnetische Eigenschaften von Multiferroika räumlich zusammenhängen. Fiebig wies nach, dass sich die magnetischen Strukturen bei Multiferroika auch mit elektrischen Feldern gezielt erzeugen und umorientieren lassen.
Mehr Informationen: siehe Pressemitteilung des Forschungsverbund

Eines der "J. Phys. B's 2005 Highlights", ausgewählt von den Herausgebern des Journal of Physics B
"Strong laser field ionization of Kr: first-order relativistic effects defeat rescattering"

E Gubbini, U Eichmann, M Kalashnikov and W Sandner, Max-Born-Institut Berlin

Die magnetische Komponente von Lichtwellen kann in den meisten Fällen gegenüber der elektrischen vernachlässigt werden. Das gilt nicht für ultrastarke Laserfelder, die Elektronen aus Atomen freisetzen und auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigen können. Im vorliegenden Experiment wurde dabei eine magnetische Ablenkung in der Größenordnung von nur wenigen Atomdurchmessern mit hoher Präzision nachgewiesen.
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 No 6 (28 March 2005) L87-L93
Mehr Informationen: siehe Projekt 2-02

Carl-Ramsauer-Preis 2005 für ehemaligen MBI Doktoranden

Dr. Helmut Lippert wurde für seine Dissertation "Ultrakurzzeitspektroskopie von isolierten und mikro-solvatisierten Biochromophoren" mit dem Carl-Ramsauer-Preis 2005 der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin ausgezeichnet. Die Preisverleihung fand am 16. November 2005 an der Universität Potsdam statt.
Mehr Informationen: siehe Pressemitteilung des Forschungsverbund

Wissenschaftliches Highlight einer Zusammenarbeit des MBI und der Ben Gurion Universität in SCIENCE - Band 310 vom 7. Oktober 2005, S. 83-86.

Mohammed et al. dokumentieren, dass die Bewegungen des Protons in der Protonenaustauschreaktion zwischen einer Säure und einer Base nach von Grotthuss sprunghaft über Wassermoleküle stattfindet.
Mehr Informationen: siehe Breaking news in Projekt 2-04

Wissenschaftliches Highlight einer Zusammenarbeit des MBI und der Universität Toronto in NATURE - Band 434, Nummer 7030 vom 10. März 2005.

Cowan et al. (S. 199) weisen nach, dass die schnellsten Fluktuationen des Wasserstoffbrückennetzwerks in Wasser im Zeitbereich unterhalb 50 Femtosekunden auftreten. Dies führt zu einem extrem schnellen Verlust des strukturellen Gedächtnisses in der Flüssigkeit, wie die multi-dimensionale Spektroskopie der O-H Streckschwingung der Wassermoleküle zeigt.
Mehr Informationen: siehe Highlights 2005

Bewegte Nano Bilder: Bargheer et al. (p. 1771) haben die Bewegung in einer GaAs/AlGaAs Superlattice mit zeitaufgelöster Röntgenbeugung verfolgt und können dabei die Gitterbewegung auf einer Zeitskala von Pikosekunden direkt sichtbar machen.

Wasserstoff-Bindungs Sonnenschutz: Schultz et al. (p. 1765) haben am Beispiel eines Modell-Basenpaars Schutzmechanismen der DNA gegen intensive UV - Sonneneinstrahlung untersucht. Mit zeitaufgelöster Photoionisation konnten sie herausfinden, dass planare, H-gebundene Dimere nach UV Anregung die Energie innerhalb von 65 Pikoseconds abgeben - mehr als 20 mal schneller als für Monomere oder größere Cluster.