Aktuelles: Ein Quantum Kino

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. 

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.

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.