Physikalischer Chemiker erklärt winzige Zeitspanne der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Forschung
von Aaron W. Harrison Assistenzprofessor für Chemie, Austin College, The Conversation (CC BY-ND 4.0) – Eine Gruppe von drei Forschern erhielt am 04.10. 2023 den Nobelpreis für Physik 2023 für eine die Erforschung des Elektrons revolutionierende Arbeit – durch die Beleuchtung von Molekülen mit Attosekunden langen Lichtblitzen. Aber wie lang ist eine Attosekunde, und was können diese winzig kurzen Pulse den Forschern über die Natur der Materie sagen?
Alte Pendeluhr, zeigt maximal Sekunden an – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Von diesem Forschungsgebiet erfuhr ich zum ersten Mal als Doktorand der physikalischen Chemie. Die Gruppe meines Doktorvaters hatte ein Projekt zur Untersuchung chemischer Reaktionen mit Attosekundenpulsen. Um zu verstehen, warum die Attosekundenforschung mit dem renommiertesten Preis in der Wissenschaft ausgezeichnet wurde, muss man wissen, was ein Attosekunden-Lichtimpuls ist.
Wie lang ist eine Attosekunde?
„Atto“ ist die wissenschaftliche Vorsilbe für 10-18, also ein Dezimalpunkt, gefolgt von 17 Nullen und einer 1. Ein Lichtblitz von einer Attosekunde, also 0,000000000000000001 einer Sekunde, ist also ein extrem kurzer Lichtimpuls. Tatsächlich gibt es in einer Sekunde ungefähr so viele Attosekunden, wie es Sekunden im Alter des Universums gibt.
Bisher konnten Wissenschaftler die Bewegung von schwereren und sich langsamer bewegenden Atomkernen mit Femtosekunden-Lichtimpulsen (10-15 Sekunden) untersuchen. Tausend Attosekunden sind eine Femtosekunde. Aber die Forscher konnten die Bewegung auf der Elektronenskala nicht sehen, bis sie Attosekunden-Lichtimpulse erzeugen konnten – die Elektronen bewegen sich zu schnell, als dass die Wissenschaftler genau analysieren könnten, was sie auf der Femtosekundenebene tun.
Eine Attosekunde ist ein Millardstel einer Millardstel Sekunde. Kaum vorstellbar? Diese Animation (mpg.de/filme/attosekunde) erklärt es anschaubar. Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik gilt als einer der Begründer der Attosekunden-Physik. Für seine Forschung erhielt er gemeinsam mit zwei weiteren Foschern den Physik-Nobelpreis 2023. (Aktualisiert am 03.10.2023)
Attosekunden-Pulse
Die Umordnung von Elektronen in Atomen und Molekülen steuert viele Prozesse in der Physik, und sie liegt praktisch jedem Teil der Chemie zugrunde. Daher haben Forscher viel Mühe darauf verwandt, herauszufinden, wie sich Elektronen bewegen und umordnen.
Allerdings bewegen sich die Elektronen bei physikalischen und chemischen Prozessen sehr schnell, was ihre Untersuchung erschwert. Um diese Vorgänge zu untersuchen, nutzen Wissenschaftler die Spektroskopie, eine Methode, mit der untersucht wird, wie Materie Licht absorbiert oder aussendet. Um die Elektronen in Echtzeit verfolgen zu können, benötigen die Forscher einen Lichtimpuls, der kürzer ist als die Zeit, welche die Elektronen für ihre Umordnung benötigen. Die Pump-Probe-Spektroskopie ist ein gängiges Verfahren in der Physik und Chemie und kann mit Attosekunden-Lichtimpulsen durchgeführt werden.
Stellen Sie sich als Analogie dazu eine Kamera vor, die nur längere Belichtungen, etwa 1 Sekunde lang, aufnehmen kann. Dinge, die sich bewegen, wie eine Person, die auf die Kamera zuläuft, oder ein Vogel, der über den Himmel fliegt, würden auf den aufgenommenen Fotos unscharf erscheinen, und es wäre schwierig, genau zu erkennen, was vor sich geht.
Stellen Sie sich nun vor, Sie verwenden eine Kamera mit einer Belichtungszeit von 1 Millisekunde. Jetzt würden Bewegungen, die vorher verwischt waren, in klare und präzise Schnappschüsse aufgelöst werden. Auf diese Weise kann das Verhalten von Elektronen auf der Attosekundenskala und nicht auf der Femtosekundenskala beleuchtet werden.
Forschung im Attosekundenbereich
Welche Art von Forschungsfragen können also mit Attosekundenpulsen beantwortet werden? Zum einen ist das Aufbrechen einer chemischen Bindung ein grundlegender Vorgang in der Natur, bei dem sich Elektronen, die zwischen zwei Atomen geteilt werden, in ungebundene Atome aufspalten. Die zuvor gemeinsam genutzten Elektronen verändern sich bei diesem Prozess ultraschnell, und Attosekundenpulse ermöglichen es den Forschern, das Aufbrechen einer chemischen Bindung in Echtzeit zu verfolgen.
Die Fähigkeit, Attosekundenpulse zu erzeugen – die Forschung, für die drei Forscher 2023 den Nobelpreis für Physik erhielten – wurde erstmals in den frühen 2000er Jahren möglich, und das Feld hat sich seitdem rasch weiterentwickelt. Durch kürzere Momentaufnahmen von Atomen und Molekülen hat die Attosekundenspektroskopie den Forschern geholfen, das Verhalten von Elektronen in einzelnen Molekülen zu verstehen, z. B. wie die Elektronenladung wandert und wie chemische Bindungen zwischen Atomen aufbrechen.
In größerem Maßstab wurde die Attosekundentechnologie auch eingesetzt, um das Verhalten von Elektronen in flüssigem Wasser sowie die Elektronenübertragung in Festkörperhalbleitern zu untersuchen. Wenn die Forscher ihre Fähigkeit zur Erzeugung von Attosekunden-Lichtimpulsen weiter verbessern, werden sie ein tieferes Verständnis der grundlegenden Teilchen gewinnen, aus denen die Materie besteht.