Mikroskopie am Raum-Zeit-Limit

Das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip beschreibt eine fundamentale Eigenschaft der Quantenphysik. Bestimmte physikalische Messgrößen wie Ort und Impuls sind experimentell nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmbar. Zwischen den Dimensionen Ort und Zeit existiert definitionsgemäß jedoch keine Unschärferelation.

Ein interdisziplinäres Forscherteam des RUN und des Max-Planck-Instituts Hamburg untersuchte diese Dynamik nun genauer. Beteiligt waren die Arbeitsgruppen um Jascha Repp, Rupert Huber, Franz Giessibl, Klaus Richter und Angel Rubio. Sie beobachteten erstmals eine Limitierung bei der simultanen Messung von Aufenthaltsort und Zeitentwicklung eines Elektrons. Diese neu entdeckte Raum-Zeit-Grenze hat signifikante Auswirkungen auf künftige technologische Anwendungen.

Anforderungen an die nanoskalige Analytik

Moderne Zukunftstechnologien wie Green Tech oder Quanten-IT basieren auf dem exakten Verständnis mikroskopischer Materieeigenschaften. Hierzu zählen molekulare Reaktionsabläufe, Licht-Materie-Interaktionen sowie elektronische Transportprozesse in Bauelementen. Hochauflösende, statische Momentaufnahmen der atomaren Strukturen reichen für diese Analysen nicht mehr aus. Erforderlich sind stattdessen dynamische Zeitlupenaufnahmen aus dem Nanokosmos.

Am Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) werden dafür ultraschnelle Mikroskope konstruiert. Ziel ist die Abbildung von Elektronen-, Atom- und Molekülbewegungen mit maximaler räumlicher und zeitlicher Auflösung. Bereits vor zehn Jahren gelang in Regensburg die raum-zeitliche Auflösung eines einzelnen Moleküls mittels ultraschneller Rastertunnelmikroskopie.

Elektronen bewegen sich auf dieser Skala jedoch tausendfach schneller als Atome. Ihre Dynamik vollzieht sich im Attosekundenbereich. Die physikalischen Größenordnungen sind hierbei extrem. Ein Atom ist etwa zehn Millionen Mal kleiner als ein Millimeter. Eine Attosekunde entspricht dem milliardstel Teil einer milliardsten Sekunde. Diese ultraschnelle Elektronenbewegung folgt den Gesetzen der Quantenmechanik.

Instrumentelle Entwicklung und Methodik

Zur Steigerung der zeitlichen Auflösung entwickelten die Forschenden ein neuartiges Lasersystem. Die emittierten Lichtblitze ermöglichen die direkte Abbildung und Kontrolle der quantenmechanischen Elektronendynamik. Elektronen werden damit von einer atomar scharfen Metallspitze auf eine Silberoberfläche transferiert. Der Transfer erfolgt über eine Distanz von wenigen Atomdurchmessern. Die Detektion dieser Bewegung erfolgt über eine Strommessung. Die zeitliche Information wird durch die Interaktion zweier Lichtblitze generiert.

Simon Maier beschreibt den Versuchsaufbau wie folgt: „Indem wir den zeitlichen Abstand zwischen den zwei Laserimpulsen variieren, können wir direkt beobachten, wie die Elektronen darauf reagieren.“ Die registrierte Elektronenbewegung zeigt deutliche Signaturen auf der Attosekunden-Zeitskala. Lichtblitze können Elektronen demnach in diesen extrem kurzen Intervallen transferieren.

Dabei verhalten sich die Elektronen nicht wie klassische Teilchen. Als quantenmechanische Wellen durchdringen sie die energetische Barriere zwischen Messspitze und Probe. Klassisch-physikalisch würde die kinetische Energie der Elektronen hierfür nicht ausreichen. Sie tunneln barrierefrei durch die energetische Wand. „Unsere Messung lässt sich wie eine Hochgeschwindigkeitskamera für die Elektronen-Wellenpakte verstehen, da man sieht, zu welcher Zeit der Tunnelprozess stattfindet“, führt Katharina Glöckl weiter aus.

Quantenmechanische Simulation der Elektronendynamik

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Angel Rubio begleitete die Experimente mit aufwändigen Quantensimulationen. Die theoretischen Berechnungen bestätigen die experimentellen Analysendaten mit hoher Präzision. Die Simulationsmodelle zeigen zudem ein spezifisches Phänomen. Das Elektron folgt dem applizierten Lichtfeld nicht instantan. Es reagiert mit einer winzigen zeitlichen Verzögerung von 500 Attosekunden.

Im untersuchten Grenzbereich der Raum-Zeit-Skala manifestieren sich fundamentale quantenphysikalische Limits. Die Wirkung der Laserimpulse vereint Eigenschaften des Wellen- und des Teilchenbildes von Licht. Diese Dualität ermöglichte das Vordringen in das atomare Raum-Zeit-Limit. Die lichtinduzierte Bewegung der Elektronen beeinflusst deren räumliche Verteilung komplex. Quantenmechanisch werden diese Zustände als Wellenpakete beschrieben.

Korrelation von räumlicher und zeitlicher Wellenausdehnung

Raffael Spachtholz erklärt den physikalischen Zusammenhang: „Je genauer wir das Elektron zeitlich festnageln wollen, desto mehr Energie müssen wir hineinstecken. Und dadurch breitet sich das Elektronenpaket räumlich wieder stärker aus.“ Das Team analysierte diesen Effekt an einem einzelnen Atom auf einer Oberfläche. Das Atom diente der räumlichen Fixierung des Elektronen-Wellenpakets vor der Lasereinstrahlung.

Dadurch wurde das Verhältnis zwischen räumlicher und zeitlicher Ausdehnung direkt quantifizierbar. Trotz starker energetischer Anregung verbleiben die Wellenpakete räumlich ausreichend scharf lokalisiert. Dies ermöglicht weiterhin eine atomar auflösende Mikroskopie auf Attosekunden-Zeitskalen.

Technologische Implikationen und Ausblick

Mit diesen Ergebnissen erreicht das Team die experimentelle Bestätigung der quantenmechanischen Raum-Zeit-Grenze. Die Studie erforscht systematisch, wie die zeitliche Elektronendynamik die räumliche Wellenfunktion formt. Daraus resultieren neuartige technologische Anwendungspotenziale. Der Transfer eines Elektrons auf ein Molekül stellt den kleinstmöglichen Ladungstransport dar.

Durch die extreme räumliche und zeitliche Fokussierung entstehen jedoch enorme lokale Spitzenstromdichten. Diese erreichen Werte von bis zu 1 Billion Ampere pro Quadratzentimeter. „In Zukunft wollen wir mit solchen Wellenpaketen gezielt chemische Reaktionen auslösen und auf den relevanten Längen- und Zeitskalen beobachten, wie chemische Bindungen aufgebrochen oder verändert werden können“, erläutert Prof. Jascha Repp begeistert.

„Auf lange Sicht könnten die gewonnenen Erkenntnisse auch dazu beitragen, Elektronik und Quanteninformationsverarbeitung an der intrinsischen Geschwindigkeitsgrenze der Elektronenbewegung selbst zu betreiben – hunderttausendfach schneller als die derzeit vorherrschende CMOS-Technologie“, ergänzt Prof. Rupert Huber. Die Projektleiter resümieren, dass die Grenzen dieser Anwendungen primär durch die menschliche Vorstellungskraft definiert werden.

Quelle

Universität Regensburg (07/2026)