Molekularer Schalter misst Lichtwellen auf atomaren Längenskalen

Seit dem 17. Jahrhundert untersuchen Forscher*innen mit Lichtmikroskopen winzige Objekte in ihren grundlegendsten Details. Da die Lichtwellen im sichtbaren Spektrum jedoch viel zu groß sind, um mit ihnen Atome zu messen, tasten moderne Mikroskope die atomare Welt stattdessen mit Elektronen, Röntgenstrahlen und anderen hochauflösenden Techniken ab. 

Paradoxerweise bleibt in diesen atomistischen Größenordnungen das Verhalten des Lichts selbst in vielerlei Hinsicht ein Rätsel. Dies gilt insbesondere für das zeitliche Verhalten von Licht als Welle diesen extrem kleinen Längenskalen, bei denen die bekannten Gesetze der klassischen Physik ihre Gültigkeit verlieren und stattdessen die Gesetze der Quantenphysik dominieren.

Nun haben Forscher*innen der Universität Regensburg und des MPSD in Hamburg eine bahnbrechende Methode entwickelt, um die Dynamik des Lichts auf so kleinen Skalen mit einer zeitlichen Auflösung zu erfassen, die sogar schneller als eine einzige Lichtschwingung ist. Den Schlüssel zu diesem fundamentalen Durchbruch bildet ein einziges Detektormolekül, welches Veränderungen der lokalen elektromagnetischen Felder nachweist und präzise kalibriert werden kann. Die Ergebnisse wurden in Nature Photonics veröffentlicht.

Illustration des experimentellen Aufbaus zur Messung von Lichtdynamik auf atomaren Skalen: Ein einzelnes Detektormolekül (Magnesiumphthalocyanin) ist zwischen der metallischen Oberfläche und der Spitze eines Rastertunnelmikroskops eingeschlossen und tastet die 
eingestrahlte Lichtwelle ab.

Das Team der Universität Regensburg platzierte das Magnesiumphthalocyanin-Molekül in einem Spalt von 0,9 Nanometer - weniger als ein Milliardstel Meter - zwischen einer ultrascharfen Wolframspitze und der Oberfläche in einem so genannten Rastertunnelmikroskop-Übergang (siehe Abbildung). Das Detektormolekül wirkt dann als molekularer Schalter, der genau bei einer bestimmten lokalen Feldstärke aktiviert wird und dadurch seine Lage auf dem Untergrund ändert. Dadurch variiert wiederum der Strom, der zwischen Spitze und Oberfläche fließt. Durch Messung des Stroms können die Schaltvorgänge experimentell aufgezeichnet werden. 

Mit dieser Methode gelang es den Physiker*innen erstmals, atomare elektromagnetische Felder quantitativ und zeitaufgelöst zu messen. Um eine Zeitauflösung zu erreichen, steuerten sie die lokalen Felder mit externen Laserpulsen und lösten so den molekularen Schalter mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit aus. Indem sie den gemessenen Strom mit der Schaltwahrscheinlichkeit in Beziehung setzten, konnte das Team die zeitabhängigen Werte der lokalen elektromagnetischen Felder extrahieren und so den atomaren Lichtwellen auf der unvorstellbar kurzen Zeitskala von Femtosekunden (eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer Millardstelsekunde) beim Schwingen zusehen.

Am MPSD führte das Theorie-Team modernste atomistische Computersimulationen durch, um die experimentelle Methode zu validieren und sie theoretisch zu untermauern. Es gelang ihnen, die Auswirkungen eines externen Laserfeldes auf den Quantenzustand der Elektronen des Moleküls und den daraus resultierenden Tunnelstrom zu simulieren, der das Schalten des Tracermoleküls bewirkt. Die Simulationen belegten die den Experimenten zugrunde liegenden Annahmen und bestätigten eine solide theoretische Grundlage für Interpretation der experimentellen Ergebnisse.  

Die Quantendynamik-Simulationen zeigen das elektrostatische Potenzial der atomaren Anordnung während sie mit einer Lichtwelle für einige Femtosekunden bestrahlt wird. Die für die Lichtwelle entscheidende elektrische Feldstärke ergibt sich direkt aus dem Potenzial.

Darüber hinaus verschaffen die Animationen des elektrischen Potentials im Mikroskop (siehe Video) Klarheit über die Verteilung der lokalen elektromagnetischen Felder in der gewählten Oberflächen-Spitzen-Anordnung, die zu Tunnelströmen führen und dadurch den molekularen Schalter auslösen. 

Bislang konnten Forscher*innen die Dynamik des Lichts auf molekularen Skalen nur auf indirekte Weise erfassen, nämlich über die Beobachtung seiner zeitlich gemittelten Wirkung auf die Materie. Diese innovative Methode eröffnet einen neuen Weg, Licht-Materie-Wechselwirkungen in Raum und Zeit zu beobachten, in einem Regime, wo die lokale Quantendynamik die Eigenschaften des Lichts bestimmt.

Darüber hinaus legt die Studie den Grundstein für maßgeschneiderte Lichtimpulse auf kleinsten Skalen, die das Forschungsgebiet der Nanotechnologie revolutionieren könnten. So erhofft man sich, mit diesen Erkenntnissen Anwendungen von bildgebenden Verfahren über zukünftige lichtwellengetriebene Nanoelektronik voranzutreiben oder die Nutzung von Solarenergie zu optimieren.

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