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News: Aufklärung durch Schnappschüsse

Mit Hilfe ultraschneller Laser ist es Wissenschaftlern des Max- Planck-Instituts für Quantenoptik und Plasmaphysik und Forschern der University of California in Berkeley gelungen, detaillierte „Schnappschüsse“ von Elektronenbewegungen auf Metalloberflächen aufzunehmen. Das Verhalten der Elektronen an festen Oberflächen und Grenzflächen beeinflußt zum Beispiel die Leistung kleiner Transistoren in Mikrochips oder die chemische Reaktivität von Atomen und Molekülen an Katalysatoren. Die in Science vorgestellte Arbeit bietet die Möglichkeit, einige der zugrundliegenden Prinzipien in Echtzeit zu studieren.
Bei den Experimenten wird ein Elektron durch einen kurzen Laserimpuls – den „Pumpimpuls“ – angeregt, so daß es einen Übergangszustand erreicht; ein folgender Impuls – der „Sondenimpuls“ – emittiert es in das Vakuum. Die kinetische Energie des Elektrons sowie der Winkel, in dem es die Oberfläche verläßt, werden gemessen und liefern Informationen über seinen Übergangszustand. Seit mehreren Jahren wird diese Technik eingesetzt, um die Lebensdauer angeregter Elektronen in Metallen und Halbleitern zu bestimmen: Man mißt die Emissionsintensität als Funktion des zeitlichen Abstands zwischen Pump- und Sondenimpuls.

Im September 1997 haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Plasmaphysik in Garching und von der Universität Erlangen Vorbereitungen für erheblich aufwendigere Messungen getroffen (Science, 277, 1480, 1997). Sie überprüften die Elektronendynamik in sogenannten image-potential states, in denen sich das Elektron im Vakuum über einer Metalloberfläche befindet, aber immer noch schwach an diese gebunden ist. Dem deutschen Team gelang es, mehrere dieser Zustände kohärent anzuregen und ein Wellenbündel zu erzeugen. Für einen bestimmten Zeitraum kann sich ein derartiges Wellenbündel wie ein klassisches Teilchen verhalten, dessen Distanz von der Oberfläche sich in der Stärke des Photoemissionssignals widerspiegelt. In dem Experiment in Garching wurde beobachtet, wie das Elektron sich ca. 100 Atomabstände von der Oberfläche entfernte und mit einer Periode von 800 Femtosekunden oszillierte.

Die Arbeit der Berkeley-Gruppe (Science, Ausgabe vom 23. Januar 1998) befaßt sich ebenfalls mit dem Verhalten von Elektronen in image-potential states, jedoch mit einer molekularen Adsorbatschicht auf der Metalloberfläche. Ursprünglich sind die schwach gebundenen Elektronen in der Lage, beliebig entlang an der Oberfläche entlangzuwandern, vorausgesetzt, die Adsorbatschicht ist wohlgeordnet. Durch Polarisieren und Verschieben einzelner Moleküle können die delokalisierten Elektronen allerdings vorübergehend auf sogenannte kleine „Polarons“ beschränkt werden. Die Existenz solcher „im eigenen Feld gefangenen“ (self-trapped) Elektronenzustände wurde bereits 1933 von dem russischen Theoretiker Landau vorhergesagt. Sie sind zum Beispiel wichtig für den Elektronentransport in leitenden Polymeren oder im Verlaufe von Photosynthesereaktionen. Mit dem Berkeley-Experiment ist es nun gelungen, diesen Trapping-Prozeß eines Elektrons in Echtzeit zu verfolgen.

Die Tatsache, daß die beiden Experimente die Dynamik von Elektronen auf Oberflächen mit bislang unerreichter Detailtreue zeigen, ist nicht nur für die Physik und Chemie von Grenzflächen wichtig. Es wird erwartet, daß auch andere Bereiche von dieser einmaligen Fähigkeit der zeitaufgelösten Photoelektronenspektroskopie zweidimensionaler Strukturen profitieren werden, weil heute geordnete Schichten aus vielen Substanzen gebildet werden können.

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