Billiardstel-Sekunde in Zeitlupe

Beobachtung und Kontrolle ultraschneller Prozesse mit Attosekunden-Auflösung

Chemische Prozesse wie die Photosynthese sind so schnell, dass nur ihr ungefährer Ablauf bekannt ist. Um mehr Einblicke zu gewinnen, haben Forscher jetzt eine Beobachtungsmethode mit einer Auflösung von Trillionstel-Sekunden entwickelt. Die neue Technik soll auch helfen, schnellere Computerchips zu entwickeln.

Ein wichtiger Teilschritt vieler chemischer Prozesse sind Ionisierungen. Ein typisches Beispiel ist die Photosynthese. Diese Reaktionen dauern nur wenige Femto- (Billiardstel-Sekunden) oder sogar nur einige hundert Attosekunden (Trillionstel-Sekunden). Weil sie so extrem schnell ablaufen, sind zwar Anfangs- und Endprodukte der Reaktionen bekannt, nicht jedoch die Reaktionswege und Zwischenprodukte.

Um solche ultraschnellen Prozesse verfolgen zu können, braucht die Wissenschaft daher eine Messtechnik, die noch schneller ist als der beobachtete Prozess selbst. Dies ist mit der sogenannten „Pump-Probe Spektroskopie“ möglich.

Beobachtung ultraschneller Prozesse

Dabei wird die Probe von einem ersten Laserpuls angeregt und die Reaktion in Gang gesetzt. Ein zweiter, zeitversetzter Puls fragt den momentanen Zustand des Prozesses ab. Durch Wiederholungen der Reaktion mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen ergeben sich viele einzelne Momentaufnahmen, die dann zu einem „Video“ zusammengesetzt werden können.

Nun ist Wissenschaftlern um Birgitta Bernhardt, ehemals an der TU München und inzwischen am Institut für Angewandte Physik der Universität Jena, ein wichtiger Schritt gelungen: Am Beispiel des Edelgases Krypton konnten sie erstmals zwei verschiedene Pump-Probe Spektroskopietechniken kombinieren und so die ultraschnellen Ionisierungsprozesse in zuvor nicht möglicher Genauigkeit sichtbar zu machen.

„Vor unserem Experiment konnte man entweder betrachten welcher Anteil des anregenden Lichtes über die Zeit von der Probe absorbiert wird oder messen welche und wie viele Ionentypen dabei entstehen“, erklärt Bernhardt. „Wir haben nun beide Techniken vereint und können auf diese Weise sehen, über welche genauen Schritte die Ionisierung abläuft, wie lange diese Zwischenprodukte bestehen bleiben und was genau der anregende Laserpuls in der Probe tut.“

Neuartige Computertechnologien

Mit der Kombination der beiden Messtechniken können die Wissenschaftler nicht nur ultraschnelle Ionisierungsprozesse aufzeichnen. Indem sie die Intensität des zweiten, abfragenden Laserpulses variieren, können sie erstmals auch die Ionisierungsdynamik gezielt kontrollieren und auf diese Weise beeinflussen.

„Diese Kontrolle ist ein sehr starkes Instrument“, erklärt Bernhardt. „Wenn wir schnelle Ionisierungsprozesse genau nachvollziehen und sogar beeinflussen können, lernen wir viel Neues über lichtgesteuerte Prozesse wie die Photosynthese – gerade über jene ersten Momente, die diese komplexe Maschinerie in Gang setzen und die bislang kaum verstanden sind.“

Auch für die Entwicklung neuer, schnellerer Computerchips, in denen die Ionisierung von Silizium eine wesentliche Rolle spielt, ist die von Bernhardt und ihren Kollegen entwickelte Technik interessant. Kann man Ionisierungszustände von Silizium innerhalb eines so kurzen Zeitfensters nicht nur abfragen, sondern auch kontrolliert setzen – wie es die ersten Experimente am Krypton nahelegen – könnten Wissenschaftler dies vielleicht einmal nutzen, um neuartige und noch schnellere Computertechnologien zu entwickeln.

Foto: Prof. Dr. Birgitta Bernhardt an der Messkammer im Physik-Department der TU München. (Foto: Michael Mittermair / TUM)