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 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.

Rekordbeschleunigung für neutrale Teilchen

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.