Aktuelles: Elektrisierende Erkenntnisse

Physikern der Universität Regensburg ist gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Universität Marburg, der Universität Graz und des Forschungszentrums Jülich ein wissenschaftlicher Durchbruch gelungen.

Erstmals konnten sie die Entstehung elektrischer Energie aus Licht direkt filmen und theoretisch beschreiben. Die Ergebnisse besitzen weitreichende Bedeutung, insbesondere für die Weiterentwicklung und Optimierung nachhaltiger Technologien zur Energiegewinnung mittels Photovoltaik. Sie liefern grundlegende Erkenntnisse über die physikalischen Prozesse, die beispielsweise in organischen Solarzellen ablaufen, und schaffen damit wichtige Voraussetzungen für effizientere Anwendungen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht, einem der weltweit renommiertesten Journale der Physik.

Ob in Solarzellen oder bei der Photosynthese: Trifft Licht auf ein Material, werden dessen Teilchen, die Photonen, absorbiert und versetzen Elektronen in einen angeregten Zustand. Dabei verändert sich ihre räumliche Verteilung. Gleichzeitig entsteht oftmals eine Bindung zwischen dem angeregten, negativ geladenen Elektron und dem von ihm hinterlassenen, positiv geladenen Elektronenloch. Diese gebundene Elektron-Loch-Paare, die auch Exzitonen genannt werden, spielen eine zentrale Rolle in modernen optoelektronischen Materialien. Trotz ihrer großen Bedeutung blieb ihre innere Struktur, die durch die quantenmechanische Wellenfunktion beschrieben wird, experimentell bislang weitgehend unzugänglich.

Mithilfe einer neuartigen Methode, der zeitaufgelösten Orbitaltomographie, gelang es den Forschenden nun erstmals, die räumliche Verteilung und die zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Momenten nach seiner Entstehung zu rekonstruieren. Die Messungen zeigen, dass sich das Elektron-Loch-Paar zunächst über etwa drei Moleküle erstreckt und bereits innerhalb der ersten 400 Femtosekunden (also 400 Billiardstel Sekunden) um etwa 25 Prozent schrumpft. Marcel Theilen, der Erstautor der Publikation und seit einem Jahr Doktorand am Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN), erklärt: „Um diese ultraschnellen Prozesse sichtbar zu machen, erzeugen wir die Exzitonen zunächst mit einem kurzen sichtbaren Lichtimpuls, brechen sie wenige Femtosekunden später mit einem hochenergetischen Laserimpuls wieder auf und emittieren das Elektron. Aus der gemessenen Energie- und Winkelverteilung können wir dann mit theoretischen Modellen die Wellenfunktion bestimmen.“ Durch die gezielte Variation des zeitlichen Abstands zwischen Anregungs- und Abfrageimpuls entstehen einzelne Momentaufnahmen, die sich zu einer Art Film der Quantenwelt zusammensetzen.

Die Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit von drei auf ihrem jeweiligen Gebiet international führenden Forschungsgruppen. Stefan Tautz und sein Team am Forschungszentrum Jülich stellten die organischen Halbleiterproben her, charakterisierten sie und transportierten sie unter Ultrahochvakuumbedingungen nach Marburg. Dort wurden in der Gruppe um Ulrich Höfer, die zeitaufgelösten Photoemissionsexperimente durchgeführt, also die „Filme“ des Exzitons aufgenommen. Am Institut für Physik der Universität Graz erarbeitete das Team von Peter Puschnig die theoretischen Konzepte zur Beschreibung der Photoemission aus Exzitonen, führte die quantenmechanischen Simulationen durch und entwickelte ein analytisches Modell, das die Interpretation der experimentellen Daten ermöglichte.

Die aktuelle Publikation markiert einen wichtigen Meilenstein im ERC-Synergy Projekt „Orbital Cinema“.  Ein Großteil dieses mit 11,3 Mio. Euro von der EU geförderten Projekts ist an der Universität Regensburg angesiedelt. Es wird dort von Professor Ulrich Höfer, der seit Oktober 2022 Adjunkt Professor am Fachbereich Physik der Universität Regensburg ist, und Professor Rupert Huber geleitet. Orbital Cinema verfolgt das Ziel, die Dynamik von Elektronen in Materialien mit bislang unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung sichtbar zu machen.

Dazu haben Höfer und Huber mit ihren Mitarbeitern am RUN in Regensburg ein neues Labor aufgebaut, in dem es möglich sein wird, schnelle Prozesse in Molekülen nicht zur zu beobachten, sondern mit intensiven Lichtfeldern zu steuern. Zusätzlich soll die Zeitauflösung des Marburger Experiments um zwei weitere Größenordnungen übertroffen werden. „Das Regensburger RUN ist meiner Meinung nach derzeit der weltweit beste Ort, um ein derart ambitioniertes Vorhaben, das manche Kolleginnen und Kollegen im Bereich der Science-Fiction ansiedeln, tatsächlich umzusetzen“, sagt Höfer und ergänzt: „Ich bin sehr dankbar für die Möglichkeit, nach meiner Pensionierung in Marburg hier weiter aktiv forschen zu können und damit die Grenzen unseres Wissens über den Nanokosmos ein wenig zu verschieben.“

Weitere Informationen: https://orbital-cinema.eu/ und https://run-regensburg.de/ (externer Link, öffnet neues Fenster)

Publikation

Observing the spatial and temporal evolution of exciton wave functions in organic semiconductors

Marcel Theilen, Siegfried Kaidisch, Monja Stettner, Sarah Zajusch, Eric Fackelman, Alexa Adamkiewicz, Robert Wallauer, Andreas Windischbacher, Christian S. Kern, Michael G. Ramsey, François C. Bocquet, Serguei Soubatch, F. Stefan Tautz, Ulrich Höfer, and Peter Puschnig

Physical Review X, August 2026

https://doi.org/10.1103/3zmg-276c (externer Link, öffnet neues Fenster)