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Viel Wirbel um das Licht

Ob Solarzellen, Sensoren oder Speicherelemente: Materialien mit ganz neuen Eigenschaften könnten Zukunftsbereiche von erneuerbaren Energien über Biowissenschaften bis zu Quantencomputern vorantreiben. Die Physikerin Nahid Talebi will dafür nötige Spezialmikroskope entwickeln.

Simulation
© Nahid Talebi

Bilderunterschrift: Nahid Talebi hat mit komplexen Lochmustern (a) winzige Nanosiebe aus Goldfolie erstellt. Treffen Elektronen darauf, entstehen faszinierende Lichtwirbel (b, eine Simulation), die die Leistung von Elektronenmikroskopen verbessern können.

Mit herkömmlichen Lichtmikroskopen, wie man sie aus dem Biologieunterricht kennt, lassen sich Oberflächen und Strukturen von einigen Mikrometern gut untersuchen. Nicht erkennen lässt sich damit, wie sich im Inneren von Materialien Atome und Elektronen bewegen. Dabei sind diese Prozesse auf Nanoebene zentral, um die Eigenschaften von Materialien grundlegend zu verstehen und gezielt festlegen zu können. Mit speziellen Elektronenmikroskopen können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die ultrakurzen Prozesse »live« beobachten und bekommen so direkte Einblicke in die Quantenphysik. Dazu bündeln sie Elektronen zu einem Strahl, beschleunigen sie und richten sie auf eine Materialprobe.

Wie die Elektronen die Probe durchdringen oder von ihr reflektiert werden, lässt Rückschlüsse auf die Prozesse im Material und auf seine Eigenschaften zu. »Bestimmte Quanteneffekte sorgen dafür, dass sich Elektronenteilchen, anders als sonst, wellenartig bewegen. Diese Wellenlängen sind sehr viel kürzer als die von sichtbarem Licht. Das führt zu einer weitaus besseren Auflösung als bei herkömmlichen Mikroskopen«, sagt Nahid Talebi, Professorin für Nanooptik am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik. Im Rahmen ihres von der Europäischen Union geförderten Projekts NanoBeam will sie die Elektronenmikroskopie durch eine Kombination von theoretischen und praktischen Ansätzen weiterentwickeln.

»Vor rund zehn Jahren hat der spätere Nobelpreisträger Ahmed Zewail die Elektronenmikroskopie auf ein neues Level gehoben, als er den Elektronenstrahl mit einem Laserlichtstrahl kombinierte«, erklärt Talebi. Diese Kombination ist deshalb so interessant, weil die Elektronen mit den Lichtteilchen (Photonen) wechselwirken und zum Beispiel Energie austauschen. Das führt zu einer höheren zeitlichen Auflösung des Mikroskops, um sehr kurze Prozesse von wenigen billiardstel Sekunden, sogenannten Femtosekunden, besser abbilden zu können. »Doch noch stehen wir hier am Anfang, vor allem wenn es darum geht, Materialien mit hochspeziellen Eigenschaften zu designen«, erklärt Talebi. Denn bisher sind die komplexen Wechselwirkungen von Elektronen und Licht nicht vollständig verstanden. Theoretische Simulationen könnten hier helfen, sind allerdings sehr aufwendig, weshalb oft nur mit groben Näherungswerten gearbeitet wird.

Talebi hat zum einen eine Simulationsmethode entwickelt, um die Wechselwirkungsprozesse als Film in Echtzeit zu zeigen und damit so exakt wie möglich zu beschreiben. Zum anderen arbeitet sie an Mikroskopbauteilen mit einer speziellen Nanostruktur. Dabei macht sie sich zunutze, dass die Wechselwirkungen das Verhalten nicht nur der Elektronen, sondern auch der Lichtteilchen verändern: Unter bestimmten Bedingungen formieren sie sich zu Wirbeln, die die Zeitauflösung von Elektronenmikroskopen noch weiter verbessern könnten.

Um diese Lichtwirbel zu erzeugen, hat Talebi gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Stuttgart und Amsterdam ein winziges »Nanosieb« entwickelt, das sich in die Mikroskope einsetzen lässt. Dafür bohrten sie in eine dünne Goldfolie winzige Löcher von 50 bis 200 Nanometern. Größe und Abstände hat Talebi exakt berechnet, denn die Lichtwirbel entstehen nur bei einem bestimmten Lochmuster. »Trifft ein Elektronenstrahl auf dieses Sieb, regt das freie Elektronen im Inneren zu Schwingungen an, die sich auf der Oberfläche wellenartig ausbreiten, sogenannte Plasmonen. Treffen diese auf die Löcher, entstehen dort die Lichtwirbel«, sagt die gebürtige Iranerin.

Nach ihrer Promotion an der University of Teheran 2011 forschte Talebi als Alexander-von-Humboldt-Stipendiatin in Stuttgart, bevor sie 2019 nach Kiel kam. Ihr gefällt die Landschaft und die maritime Atmosphäre. »Und dass vieles so gut mit dem Fahrrad erreichbar ist. Für meine Arbeit reizt mich unter anderem die Nähe zum DESY.« Im Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg, das als führendes Beschleunigerzentrum in Deutschland gilt, will sie spezielle Röntgenphotonenquellen entwickeln, um die Kombination von Elektronen- und Laserlichtstrahlen und damit die Elektronenmikroskopie weiter voranzutreiben.

Autorin: Julia Siekmann

Forschungstalente für Europa fördern

Mit ERC Starting Grants unterstützt der Europäische Forschungsrat (European Research Council) talentierte junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim Aufbau einer eigenen Forschungsgruppe. Nahid Talebis Projekt NanoBeam wird seit 2019 mit 1,5 Millionen Euro gefördert. Ziel ist die Weiterentwicklung von Mikroskopiemethoden, um ultrakurze Prozesse im Inneren von Materialien besser untersuchen zu können. (jus)

Über den CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

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