Aktuelles: Ein Quantum Kino

Ein Kinoerlebnis der Extraklasse – unfassbar schnelle Quantenprozesse bis hin zu chemischen Reaktionen in h?chster Aufl?sung zu beobachten: Das ist das Ziel des Projekts ?Orbital Cinema“, für das Physiker der Universit?t Regensburg, des Forschungszentrums Jülich sowie der Universit?ten Marburg und Graz heute einen der begehrten ERC Synergy Grants des Europ?ischen Forschungsrats (ERC) erhalten haben. Die Forscher wollen erstmalig die blitzartigen Bewegungen von Elektronen in Molekülen in ultraschneller Zeitlupe erfassen. Auf revolution?re 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 Gesetzm??igkeiten 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 gro?e 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 Europ?ische Forschungsrat ERC hat den Physikern Prof. Dr. Rupert Huber von der Universit?t Regensburg, Prof. Dr. Ulrich H?fer von der Philipps-Universit?t Marburg, Prof. Dr. Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich und Prof. Dr. Peter Puschnig von der Universit?t Graz für die Erforschung dieser Orbitale nun eine der h?chsten europ?ischen Auszeichnungen verliehen, einen mit 11,3 Millionen Euro dotierten Synergy Grant. 6,7 Millionen Euro davon flie?en allein nach Regensburg. Der Preis ist nur im Team zu gewinnen und f?rdert etablierte Spitzenforscher:innen mit wissenschaftlich bahnbrechenden Vorhaben, die von einer Arbeitsgruppe allein nicht adressiert werden k?nnen.

Die vier Physiker aus Deutschland und ?sterreich haben sich zum Ziel gesetzt, Orbitale nicht nur in Standbildern sondern in einer Art ?Orbitalkinematographie“ zu verfolgen. ?Wir wollen live beobachten, wie sich Orbitale ver?ndern, wenn elektrische Felder oder Licht darauf wirken oder chemische Bindungen entstehen oder aufbrechen. Damit erfüllt sich ein lang gehegter Traum der Natur- und Lebenswissenschaften“, erkl?rt Rupert Huber. Die Messlatte k?nnte kaum h?her liegen: Elektronenorbitale sind winzig; gleichzeitig bewegen sie sich auf aberwitzig kurzen Zeitskalen. Um diese ?Mission Impossible“ zu bew?ltigen, planen die Physiker eine v?llig neue Art von Superzeitlupen-Mikroskopen, die schneller als eine einzelne Lichtschwingung werden k?nnen.
M?glich 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 spektakul?res Abbildungsverfahren – sogenannte Photoemissions-Orbital-Tomographie – mit dem ein Elektronenorbital so vollst?ndig abgebildet werden kann, wie die Quantenmechanik dies zul?sst. Ulrich H?fer, der seit Jahren an der Spitze zeitaufgel?ster Oberfl?chenphysik forscht, gelangen gemeinsam mit den Kollegen aus Jülich und Graz jüngst sogar erste ultraschnelle Schnappschüsse von Elektronenorbitalen. Die Arbeitsgruppe Huber hat sich darauf spezialisiert, Vorg?nge zu verfolgen, die schneller als eine einzige Lichtschwingungsperiode ablaufen. Gemeinsam mit Ulrich H?fer konnte die Gruppe 2018 direkt visualisieren, wie Lichtfelder Elektronen durch einen Festk?rper beschleunigen.
?Die Kombination unserer Expertisen im ERC Synergy Projekt schafft nun etwas radikal Neues“, freut sich Stefan Tautz, der das Vorhaben koordiniert, ?n?mlich 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 abh?ngen und mit einem breiten Spektrum an Anwendungen in Verbindung stehen. Das f?ngt an bei chemischen und biochemischen Reaktionen und reicht über Photovoltaik, Photochemie, Hochgeschwindigkeitselektronik und Optoelektronik der n?chsten Generation“, erl?utert der Theoretiker Peter Puschnig von der Universit?t Graz.

Elektronen sind faszinierende Teilchen. Nach den merkwürdigen Gesetzm??igkeiten 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 gro?e 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 Europ?ische Forschungsrat ERC hat den Physikern Prof. Dr. Rupert Huber von der Universit?t Regensburg, Prof. Dr. Ulrich H?fer von der Philipps-Universit?t Marburg, Prof. Dr. Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich und Prof. Dr. Peter Puschnig von der Universit?t Graz für die Erforschung dieser Orbitale nun eine der h?chsten europ?ischen Auszeichnungen verliehen, einen mit 11,3 Millionen Euro dotierten Synergy Grant. 6,7 Millionen Euro davon flie?en allein nach Regensburg. Der Preis ist nur im Team zu gewinnen und f?rdert etablierte Spitzenforscher:innen mit wissenschaftlich bahnbrechenden Vorhaben, die von einer Arbeitsgruppe allein nicht adressiert werden k?nnen.

Die vier Physiker aus Deutschland und ?sterreich haben sich zum Ziel gesetzt, Orbitale nicht nur in Standbildern sondern in einer Art ?Orbitalkinematographie“ zu verfolgen. ?Wir wollen live beobachten, wie sich Orbitale ver?ndern, wenn elektrische Felder oder Licht darauf wirken oder chemische Bindungen entstehen oder aufbrechen. Damit erfüllt sich ein lang gehegter Traum der Natur- und Lebenswissenschaften“, erkl?rt Rupert Huber. Die Messlatte k?nnte kaum h?her liegen: Elektronenorbitale sind winzig; gleichzeitig bewegen sie sich auf aberwitzig kurzen Zeitskalen. Um diese ?Mission Impossible“ zu bew?ltigen, planen die Physiker eine v?llig neue Art von Superzeitlupen-Mikroskopen, die schneller als eine einzelne Lichtschwingung werden k?nnen.
M?glich 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 spektakul?res Abbildungsverfahren – sogenannte Photoemissions-Orbital-Tomographie – mit dem ein Elektronenorbital so vollst?ndig abgebildet werden kann, wie die Quantenmechanik dies zul?sst. Ulrich H?fer, der seit Jahren an der Spitze zeitaufgel?ster Oberfl?chenphysik forscht, gelangen gemeinsam mit den Kollegen aus Jülich und Graz jüngst sogar erste ultraschnelle Schnappschüsse von Elektronenorbitalen. Die Arbeitsgruppe Huber hat sich darauf spezialisiert, Vorg?nge zu verfolgen, die schneller als eine einzige Lichtschwingungsperiode ablaufen. Gemeinsam mit Ulrich H?fer konnte die Gruppe 2018 direkt visualisieren, wie Lichtfelder Elektronen durch einen Festk?rper beschleunigen.
?Die Kombination unserer Expertisen im ERC Synergy Projekt schafft nun etwas radikal Neues“, freut sich Stefan Tautz, der das Vorhaben koordiniert, ?n?mlich 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 abh?ngen und mit einem breiten Spektrum an Anwendungen in Verbindung stehen. Das f?ngt an bei chemischen und biochemischen Reaktionen und reicht über Photovoltaik, Photochemie, Hochgeschwindigkeitselektronik und Optoelektronik der n?chsten Generation“, erl?utert der Theoretiker Peter Puschnig von der Universit?t Graz.