Der Fotograf des atomaren Atems

Unser ehemaliger Schüler Dr. Reinhard Kienberger erhielt einen mit 1,05 Millionen Euro dotierten Preis für Forschung

Der aus Saalfelden stammende Wissenschafter Reinhard Kienberger bekam den mit 1,05 Millionen Euro dotierten Sofja-Kovalevskaja-Preis. Kienberger legt mit seiner Arbeit die Basis dafür, dass das Innenleben von Atomen und Molekülen "fotografiert" werden kann. Während die Welt im Banne der Nanotechnologie steht, ist die Wissenschaft bereits viele Schritte weiter. Kienberger und seine Kollegen des Max-Plank-Instiututs für Quantenoptik (MPQ) in Garching sind derzeit den Attosekunden auf der Spur. Eine Atto-sekunde ist der milliardste Teil einer Milliardstel Sekunde und damit die kürzeste bisher registrierte Zeitspanne. "An die Begriffe Nanometer (milliardstel Meter) und Nanosekunde (milliardstel Sekunde) haben sich schon viele Menschen gewöhnt. Noch hat die Nanotechnik der Mikrotechnik nicht den Rang abgelaufen, da stoßen Wissenschafter die Tür zum Atto-Reich auf", jubelt "Die Welt". Das Atto-Reich ist noch eine Milliarde mal kleiner als die "schon unvorstellbar winzige Nanowelt". Kienberger verbrachte 2004 zehnMonate an der Stanford University in den USA. Seit 2005 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter des MPO und spielt in diesem innovativen Bereich der Physik eine führende Rolle. Der Kovalvskaja-Preis gibt ihm die Möglichkeit, in den nächsten vier Jahren eine eigene Nachwuchsgruppe am MPQ aufzubauen. Dem bestehenden Team um Kienberger gelang es ultrakurze Röntgenblitze zu erzeugen. Sie haben nur eine Dauer von 300 Attosekunden. Durch diese Methode können schon in naher Zukunft Bewegungen von Elektronen im Inneren der Atome beobachtet werden. Fragen über die Entstehung und die Auflösung chemischer Verbindungen und damit auch die Kontrolle chemischer Reaktionen, lassen sich dann in Form von Experimenten beantworten.

Quelle: 06.12.2006 © SN Heinz Bayermünchen
Dr. Reinhard Kienberger
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Schnell gestoppt

Erzeugung und Nachweis einzelner ultrakurzer Röntgenstrahlungs- und Elektronenpulse

Etwa 150 Attosekunden braucht ein Elektron gemäß dem Bohr'schen Atommodell, um seinen Atomkern zu umrunden. Kaum zu glauben, dass sich derart kurze Prozesse jemals technisch erfassen lassen. Doch Physiker sind auf dem besten Weg dahin. Dank moderner Mikroskope können Forscher selbst einzelne Atome aufs Korn nehmen - allerdings nur, wenn sie sich im Ruhezustand befinden. Bewegen sich die Atome hingegen - etwa während einer chemischen Reaktion -, dann braucht es schon sehr kurze Lichtpulse, um sie in einer Aufnahme zu fixieren. Reicht zur scharfen Abbildung eines fliegenden Tennisballes noch eine Belichtungszeit von weniger als eine tausendstel Sekunde, so sind die Lichtpulse um das Billionenfache zu verkürzen, auf wenige Femtosekunden (10-15 Sekunden), um die schnellsten atomaren Bewegungen in Molekülen festzuhalten. Noch kürzere Zeiten sind nötig, um Prozesse in der Elektronenhülle eines Atoms abzulichten. Hier sausen die Elektronen tausendmal schneller. Sie wechseln aus einem Energiezustand in einen anderen in typischerweise 10 bis 1000 Attosekunden. (Eine Attosekunde sind 10-18 Sekunden.) Dabei fliegen Atome, die ursprünglich in einem Molekül gebunden waren, auseinander oder senden ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlung aus. Diese Vorgänge sind von grundlegender Bedeutung für die Kontrolle chemischer Reaktionen und Synthese neuer Materialien. Sie könnten sogar für die Konstruktion eines handlichen Röntgenlasers eingesetzt werden. Doch wie lassen sich derart kurze Prozesse verfolgen? Es braucht eine geeignete Stoppuhr, die mit bisher nicht da gewesener Genauigkeit die Dauer solcher Vorgänge misst. Da das Stoppen "von Hand" bei derart kurzen Zeitintervallen kaum möglich ist, wäre es äußerst hilfreich, wenn der Messprozess gleich auch den zu beobachtenden Vorgang auslösen würde. Genau so einen Messapparat haben Wissenschaftler der Universitäten Wien und Bielefeld zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching gebaut.

Das Forscherteam um Reinhard Kienberger benutzte Röntgenblitze mit einer Dauer von lediglich 250 Attosekunden, die derzeit kürzesten Pulse der Welt, um mit der so zugeführten Energie die Bindung von Elektronen an ihren Atomkern kurzfristig zu überwinden. Gleichzeitig mit dem Lichtpuls begann auch die Zeitmessung des Prozess. Durch die Anregung des Attosekundenpulses wurde die Elektronenhülle der bestrahlten Atome stark angeregt, und manche aus ihrem Ruhezustand gebrachten Elektronen erlangten dabei eine so hohe Energie, dass sie sich aus ihrer atomaren Bindung lösten und selbständig machten. Die Dauer und der Verlauf dieser Elektronenemission gibt direkte Auskunft über den zeitlichen Verlauf der Anregungs- und Relaxationsprozesse in der Elektronenhülle. Zu deren Messung hat das Forscherteam ein spezielles Verfahren entwickelt. Dabei haben die Wissenschaftler auf ein altbekanntes Konzept, auf das so genannte Schmierbildverfahren, zurückgegriffen. Bis vor kurzem wurde diese Methode ausschließlich zur Messung der Dauer kurzer Lichtblitze verwendet: Ein Lichtpuls schlägt während seiner Dauer Elektronen aus einer Metallplatte heraus, die anschließend mit einem statischen elektrischen Feld zu einem fluoreszierenden Schirm beschleunigt werden. Bei dem neuen Verfahren geschieht die Ablenkung der Elektronen nun nicht durch ein statisches elektrisches Feld, sondern durch ein extrem schnell variierendes Lichtfeld, das seine Wirkung unmittelbar bei der Freisetzung der Elektronen entfaltet. Durch die Messung der Emissionszeit der ausgelösten Elektronen mit dem neuen Schmierbildverfahren konnten die Wissenschaftler um Kienberger auf eine Röntgenblitzdauer von 250 Attosekunden zurückrechnen - von kürzeren Pulsen konnte bislang kein anderes Forscherteam berichten. Zudem handele es sich laut der Universität Bielefeld auch um die kürzeste gemessene Zeitspanne überhaupt. Die Genauigkeit hätte bei 100 Attosekunden gelegen. Fast scheint es, als sei es nur eine Frage der Zeit, bis wir Elektronen beim Kreisen ums Atom zusehen können - wenn hierbei nur nicht Heisenbergs Unschärferelation Ärger machen würde.

Quelle: Nature 427: 817-821 (2004) © spektrumdirekt
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