(openPR) Fast alle sichtbaren Eigenschaften der Materie um uns herum sind im Inneren durch die räumliche Anordnung von Atomen und Elektronen definiert. Jegliche Art von Prozess oder Vorgang, der die Struktur der Materie verändert – beispielsweise eine chemische Reaktion, ein elektronischer Schaltprozess oder die Faltung eines Proteins in unseren Zellen –, beruht daher auf der Bewegung und Neuordnung von Atomen und Elektronen. Die Zeiträume, in denen solche Reaktionen ablaufen, sind unglaublich kurz und können im Bereich von Femtosekunden oder Attosekunden liegen – dem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Auch im Raum sind diese Bewegungen extrem klein und liegen in der Größenordnung von Nanometern oder Pikometern – dem Billionstel Teil eines Meters.
Um Prozesse in diesen extremen räumlichen und zeitlichen Dimensionen zu erforschen, bedarf es hochmoderner Messgeräte, wie zum Beispiel eines ultraschnellen Elektronenmikroskops. Diese Messgeräte kombinieren die sehr hohe räumliche Auflösung eines traditionellen Elektronenmikroskops mit der zeitlichen Auflösung ultrakurzer Laserimpulse. Ein besonders hochauflösendes Gerät, ein Attosekunden-Elektronenmikroskop, das sogar die elektrischen Oszillationen von Licht sichtbar machen kann, hat die Arbeitsgruppe von Peter Baum am Fachbereich Physik der Universität Konstanz entwickelt. „Bisher lassen sich auf diese Weise allerdings nur Prozesse vermessen, die speziell und dezidiert mit einem hochenergetischen Laserimpuls angeregt werden. Elektrisch, magnetisch oder anderweitig ausgelöste Vorgänge, wie sie oft in technischen Geräten oder natürlichen Umgebungen auftreten, entziehen sich bisher unserer Beobachtung“, so Baum.
Neue Wege in der ultraschnellen Elektronenmikroskopie
In ihrem neuen Projekt, das mit einem Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von 3,1 Millionen Euro gefördert wird, möchten Baum und sein Team neuartige Elektronenmikroskope entwickeln, die diese Einschränkung überwinden sollen. Dabei werden gezielt erzeugte Sequenzen und räumliche Muster von ultrakurzen Elektronenimpulsen zum Einsatz kommen. „Wir werden mehrere Elektronen mithilfe speziell designter Laserimpulse erzeugen und anschließend mittels Terahertzstrahlung in ihren räumlichen und zeitlichen Eigenschaften kontrollieren, um Korrelationsmessungen vorzunehmen“, benennt Baum einige der technischen Ideen.
Auf diese Weise kann auf dem zu untersuchenden Objekt eine nahezu frei kontrollierte Abfrage der zeitlichen Abläufe von Prozessen erfolgen. Dadurch soll es möglich werden, die Bewegungen von Atomen und Elektronen auf umfassendere Weise als bisher zu beobachten und auch solche Prozesse in Raum und Zeit sichtbar zu machen, die zuvor nicht zugänglich waren. „Mit diesen neuen Möglichkeiten wollen wir tiefere Einblicke in die grundlegenden Mechanismen gewinnen, die Materialeigenschaften und -übergänge auf atomarer Ebene bestimmen, und so Fortschritte in der Nanotechnologie, der Optik, den Materialwissenschaften und der Quantenphysik erzielen“, gibt Baum einen Ausblick.
Über den ERC Advanced Grant
Der ERC Advanced Grant zählt zu den renommiertesten und höchstdotierten europäischen Forschungspreisen. Er würdigt und unterstützt herausragende und ambitionierte Forschungsprojekte von etablierten Wissenschaftler*innen, die über mindestens zehn Jahre hinweg bedeutende Forschungsleistungen erbracht haben. Die Förderdauer der ERC Advanced Grants beträgt fünf Jahre, die maximale Fördersumme pro Forschungsvorhaben sind 2,5 Millionen Euro. In Ausnahmefällen können auch höhere Fördersummen bewilligt werden.
Faktenübersicht:
• Der Konstanzer Physiker Prof. Dr. Peter Baum erhält einen Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von 3,1 Millionen Euro.
• Forschungsziel: Methodische Weiterentwicklungen in der Elektronenmikroskopie, welche die Erforschung bisher nicht beobachtbarer, ultraschneller Vorgänge auf Ebene der Atome ermöglichen sollen.
• Das Forschungsteam von Prof. Dr. Peter Baum wurde 2024 bereits für die Entwicklung einer innovativen Attosekunden-Mikroskopietechnik mit dem Helmholtz-Preis für Grundlagenforschung ausgezeichnet.
Hinweis an die Redaktionen:
Fotos können im Folgenden heruntergeladen werden:
Link: https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2025/ausgezeichnete_praezision_attosekunden.jpg
Bildunterschrift: Attosekunden-Elektronenmikroskop an der Universität Konstanz
Copyright: Dr. Gillian Kiliani, Universität Konstanz
Link: https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2025/ausgezeichnete_praezision_atto.jpg
Bildunterschrift: Attosekunden-Elektronenmikroskop an der Universität Konstanz
Copyright: Dr. Gillian Kiliani, Universität Konstanz
Link: https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2025/ausgezeichnete_praezision_baum.jpg
Bildunterschrift: Prof. Dr. Peter Baum, Universität Konstanz
Copyright: Dr. Gillian Kiliani, Universität Konstanz
