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Forschung an der UR - aktuelle Meldungen

Ein Quantum Kino

11,3 Millionen Euro für Superzeitlupen-Mikroskopie von Elektronen

Physiker aus Regensburg, Jülich, Marburg und Graz erhalten ERC Synergy Grant für räumlich und zeitlich ultrahochaufgelöste Aufnahmen von Elektronenorbitalen


25. Oktober 2022

Ein Kinoerlebnis der Extraklasse – unfassbar schnelle Quantenprozesse bis hin zu chemischen Reaktionen in höchster Auflösung zu beobachten: Das ist das Ziel des Projekts „Orbital Cinema“, für das Physiker der Universität Regensburg, des Forschungszentrums Jülich sowie der Universitäten Marburg und Graz heute einen der begehrten ERC Synergy Grants des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhalten haben. Die Forscher wollen erstmalig die blitzartigen Bewegungen von Elektronen in Molekülen in ultraschneller Zeitlupe erfassen. Auf revolutionäre Art soll so ein direkter Einblick in die innere Struktur von Quantensprüngen und Ladungstransferprozessen gewonnen und gezeigt werden, wie sich chemische Reaktionen durch elektrische Felder und Licht steuern lassen. 

Ein Elektronenorbital (rote und blaue Ballons) kurz vor einer optisch ausgelösten chemischen Reaktion eines Moleküls (graue Kugeln und Stäbe). Die Form des Orbitals wurde theoretisch simuliert. Mit „Orbital Cinema“ dürfte die tatsächliche Form und Bewegung solcher Orbitale bald in mikroskopischen Superzeitlupenfilmen beobachtbar werden. © M. Huber, P. Puschnig et al.


Elektronen sind faszinierende Teilchen. Nach den merkwürdigen Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik haben sie keinen festen Aufenthaltsort, sondern schwirren mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in Raumbereichen herum, die auch als Orbitale bezeichnet werden. Ihre Form erinnert an Luftballons oder Seifenblasen, welche die Atomkerne umspielen. Das große wissenschaftliche Interesse an Orbitalen rührt daher, dass sie als Schlüssel gelten, um chemische Reaktionen und Quantenprozesse etwa in Quantencomputern oder Solarzellen besser zu verstehen.
Der Europäische Forschungsrat ERC hat den Physikern Prof. Dr. Rupert Huber von der Universität Regensburg, Prof. Dr. Ulrich Höfer von der Philipps-Universität Marburg, Prof. Dr. Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich und Prof. Dr. Peter Puschnig von der Universität Graz für die Erforschung dieser Orbitale nun eine der höchsten europäischen Auszeichnungen verliehen, einen mit 11,3 Millionen Euro dotierten Synergy Grant. 6,7 Millionen Euro davon fließen allein nach Regensburg. Der Preis ist nur im Team zu gewinnen und fördert etablierte Spitzenforscher:innen mit wissenschaftlich bahnbrechenden Vorhaben, die von einer Arbeitsgruppe allein nicht adressiert werden können.

Die vier Physiker aus Deutschland und Österreich haben sich zum Ziel gesetzt, Orbitale nicht nur in Standbildern sondern in einer Art „Orbitalkinematographie“ zu verfolgen. „Wir wollen live beobachten, wie sich Orbitale verändern, wenn elektrische Felder oder Licht darauf wirken oder chemische Bindungen entstehen oder aufbrechen. Damit erfüllt sich ein lang gehegter Traum der Natur- und Lebenswissenschaften“, erklärt Rupert Huber. Die Messlatte könnte kaum höher liegen: Elektronenorbitale sind winzig; gleichzeitig bewegen sie sich auf aberwitzig kurzen Zeitskalen. Um diese „Mission Impossible“ zu bewältigen, planen die Physiker eine völlig neue Art von Superzeitlupen-Mikroskopen, die schneller als eine einzelne Lichtschwingung werden können.
Möglich wird das nur dank der Synergie im Team. Peter Puschnig und Stefan Tautz demonstrierten gemeinsam mit ihrem Kollegen Mike Ramsey aus Graz vor einigen Jahren ein spektakuläres Abbildungsverfahren – sogenannte Photoemissions-Orbital-Tomographie – mit dem ein Elektronenorbital so vollständig abgebildet werden kann, wie die Quantenmechanik dies zulässt. Ulrich Höfer, der seit Jahren an der Spitze zeitaufgelöster Oberflächenphysik forscht, gelangen gemeinsam mit den Kollegen aus Jülich und Graz jüngst sogar erste ultraschnelle Schnappschüsse von Elektronenorbitalen. Die Arbeitsgruppe Huber hat sich darauf spezialisiert, Vorgänge zu verfolgen, die schneller als eine einzige Lichtschwingungsperiode ablaufen. Gemeinsam mit Ulrich Höfer konnte die Gruppe 2018 direkt visualisieren, wie Lichtfelder Elektronen durch einen Festkörper beschleunigen.
„Die Kombination unserer Expertisen im ERC Synergy Projekt schafft nun etwas radikal Neues“, freut sich Stefan Tautz, der das Vorhaben koordiniert, „nämlich ein Quantenlabor, indem man direkt verfolgen kann, wie Lichtfelder Orbitale dynamisch formen.“ Die neue „Orbitalkinematographie“ verspricht Antworten auf eine Reihe grundlegender Fragen. „Das Verfahren dürfte die Untersuchung elementarer Prozesse in Molekülen revolutionieren, die von der ultraschnellen Dynamik der Elektronen abhängen und mit einem breiten Spektrum an Anwendungen in Verbindung stehen. Das fängt an bei chemischen und biochemischen Reaktionen und reicht über Photovoltaik, Photochemie, Hochgeschwindigkeitselektronik und Optoelektronik der nächsten Generation“, erläutert der Theoretiker Peter Puschnig von der Universität Graz.

Großes Quanten-Kino: „Orbital Cinema“ soll erstmals zeigen, wie sich Elektronenorbitale bei Quantensprüngen und chemischen Reaktionen verändern. Bisher ließen sich dies nur theoretisch untersuchen.© Markus Huber, Universität Regensburg


Eine zentrale Rolle spielt dabei das neue Regensburger Zentrum für Ultraschnelle Nanoskopie (RUN). Die dort entstehenden weltweit einzigartigen Präzisionsmikroskopie- und Laserlabors bieten in vollklimatisierten unterirdischen Reinräumen die notwendige höchststabile Umgebung, um gleichzeitig atomare Orts- und ultraschnelle Zeitauflösung zu erreichen. „In ‚Orbital Cinema‘ peilen wir sogar Attosekunden-Zeitauflösung an. Eine Attosekunde beträgt 10-18 Sekunden, also den milliardstel Teil einer Milliardstel Sekunde; die Attosekunde verhält sich zur Sekunde wie eine Sekunde zum doppelten Alter des Universums. Selbst Prozesse, die bislang als instantan betrachtet wurden, wie etwa elektronische Quantensprünge zwischen Orbitalen, sollten auf der Attosekundenskala ihre interne Struktur offenbaren“, erklärt Ulrich Höfer, der kürzlich zum ersten Gastprofessor (Adjunct Professor) der Universität Regensburg ernannt wurde. Für das neue ERC-Projekt wird er seinen Arbeitsplatz an das RUN verlegen und gemeinsam mit Rupert Huber die eigentlichen Superzeitlupen-Mikroskope entwickeln, aufbauen und betreiben. „Die neuen Labors und das wissenschaftliche Umfeld am RUN bieten dafür ideale Bedingungen“, begründet Ulrich Höfer seine Entscheidung.
„Was wir uns vorgenommen haben, ist eine völlig neuartige Expedition in den Nanokosmos. Es gibt eine Reihe bekannter Hypothesen über Orbitaldynamik, die für künftige Quantentechnologien relevant sind. Diese werden wir auf jeden Fall überprüfen“, sagt Rupert Huber, der für seine Forschung 2019 mit dem renommierten Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis ausgezeichnet wurde. „Wir rechnen aber auch mit dem Unerwarteten. Immerhin werden unsere Kinofilme die Welt auf Längen- und Zeitskalen zeigen, die noch nie zuvor ein Mensch gesehen hat.“

Weiterführende Informationen
zur Homepage von Prof. Dr. Rupert Huber

zur Homepage von Prof. Dr. Ulrich Höfer

zur Homepage von Prof. Dr. Stefan Tautz

zur Homepage von Prof. Dr. Peter Puschnig

Informationen zum ERC Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats



Prof. Dr. Rupert Huber © Antonia Pröls/Universität Regensburg


Prof. Dr. Ulrich Höfer © SFB 1083


Informationen/Kontakt

Prof. Dr. Rupert Huber
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Tel.: +49 (0)941 943-2070, 2071
E-Mail: rupert.huber@physik.uni-regensburg.de
 

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