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Förderung für Jülicher Forschung: 11,3 Millionen Euro für einen „Quanten-Kinofilm“

Förderung für Jülicher Forschung : 11,3 Millionen Euro für einen „Quanten-Kinofilm“

Stefan Tautz vom Forschungszentrum will mit Kollegen aus Deutschland und Österreich etwas sichtbar machen, was man eigentlich gar nicht beobachten kann: Die Bewegung von Elektronen in Molekülen. Dafür erhalten die Forscher 11,3 Millionen Euro aus einem europäischen Fonds.

„Kinofilme, die die Welt auf Längen- und Zeitskalen zeigen, die noch nie zuvor ein Mensch gesehen hat“ – so beschreiben die vier Wissenschaftler, die für ihr Projekt „Orbital Cinema“ einen der begehrten „Synergy Grants“ des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von 11,3 Millionen Euro bekommen, was sie in den kommenden sechs Jahren erreichen wollen. Ihr Film muss in Superzeitlupe gedreht werden, weil das, was abgebildet werden soll, nicht nur wahnsinnig klein, sondern auch unfassbar schnell ist.

Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich (FZJ) und seine drei Physikerkollegen aus Deutschland und Österreich wollen die blitzartigen Bewegungen von Elektronen in Molekülen sichtbar machen. Ist ihr Projekt erfolgreich, würde das helfen, chemische Reaktion besser zu begreifen und besser erklären zu können, was zum Beispiel in einem Quantencomputer oder einer Solarzelle passiert. „Wir wollen die Grundprozesse, die Elementarprozesse auf der allerfundamentalsten Ebene verstehen.“

Entscheidend sind dabei die Orbitale. So bezeichnet man die Raumbereiche, in denen sich Elektronen in der Umgebung eines Atomkerns aufhalten. Weil die Elektronen keinen festen Aufenthaltsort haben, braucht man die Darstellung als unscharfen Bereich, in dem das Elektron sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit befindet. Wer sich noch gut an den Physik- oder Chemieunterricht in der Schule erinnern kann, kennt Orbitale als bunte Wolken um den Atomkern.

Das, was in und mit diesen Orbitalen passiert, nun im Bewegtbild festzuhalten, ist das Ziel vieler exzellenter Forschergruppen weltweit, berichtet Stefan Tautz, Leiter des Jülicher Instituts für Quantum Nanoscience. Auf eigene Faust am Forschungszentrum oder sonstwo zum Ziel zu kommen: undenkbar. „Wir haben zum Beispiel gar nicht die notwendigen Lasersysteme, die wir im Übrigen im Projekt erst entwickeln müssen“, erklärt Tautz. „Dazu braucht es bahnbrechende Expertise in der Lichtwellenelektronik. Die bringen Rupert Huber, Professor an der Universität Regensburg, und seine Mitarbeiter ein.“ Huber ist also zuständig für die richtige Beleuchtungstechnik am „Filmset“.

Außerdem gehört Ulrich Höfer, Gastprofessor an der Uni Regensburg, zur Projektgruppe, der mit seiner Erfahrung in der zeitaufgelösten Elektronenspektroskopie sozusagen die Rolle des Kameramanns einnimmt. Das Team vom Forschungszentrum, bei dem auch die Koordination des Projekts liegt, kümmert sich um den Plot, die Schauspieler und die Kulisse – und leistet damit sozusagen die Regie am Filmset: Hier werden die Materialsysteme entwickelt. Dazu kommen Peter Puschnig, Professor an der Universität Graz, und seine Mitarbeiter, die als Theoretiker am Drehbuch mitschreiben.

Den Sprung, den die Forscher jetzt in der über sechs Jahre durch den Preis der ERC finanzierten Projektphase schaffen wollen, entspricht etwa dem vom Daumenkino zum Film: In einem vorigen Projekt ist es Tautz, Höfer und Puschnig bereits gelungen, „Schnappschüsse“ von den Elektronenorbitalen zu machen. Ihre Ergebnisse haben sie gemeinsam mit ihren Mitarbeitern 2021 in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Die Wissenschaftler haben dabei zwei vorige Erkenntnisse der Forschung kombiniert: einerseits die tomographische Vermessung der räumlichen Gestalt von Orbitalen und andererseits die Zeitauflösung durch die Verwendung zweier kurz aufeinander folgenden Laserpulse. Dazu wird eine Schicht aus Molekülen auf einer Metalloberfläche mit Lichtteilchen beschossen. Ein erster Laserpuls regt ein Elektron energetisch an, ein zweiter löst es aus dem Molekül.

„Dazu nutzt man einen Detektor, der misst, in welchem Winkel das Elektron ausgetreten ist und mit welcher Energie. Aus dieser Information kann man auf die räumliche Verteilung des Elektrons schließen“, erklärt Tautz. Für alle zeitlichen Abstände zwischen den Laserpulsen wird so jeweils ein Bild erzeugt. Aus dieser Bildserie entsteht dann der Film.

„Wir wollen eine zusammenhängende, die Physiker sagen: kohärente Elektronendynamik zeigen“, sagt Tautz. Die Forschergruppe geht dazu bei der Zeitauflösung bis in den Bereich der Attosekunden. Das sind 10-18 Sekunden. „Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zur doppelten Lebenszeit des Universums“, sagt Tautz. „Das ist also unvorstellbar schnell. Wir wollen mindestens in den Bereich von wenigen 100 Attosekunden kommen.“

Die vier Projektleiter widmen dem „Kinofilm“ jeweils 50 Prozent ihrer Arbeitszeit – Unterstützt werden sie von zahlreichen Mitarbeitern, die jetzt schon an der Forschung beteiligt sind. „Was wir mit dem Projekt vorhaben, bettet sich gut ein in unsere Jülicher Forschung“, betont Tautz. Quantentechnologie, also die Arbeit im Größenbereich „Atome und kleiner“, ist ein Schwerpunkt der Forschung in Jülich. Und was zum Beispiel bei einem Quantensprung passiert, also wenn ein Elektron in einen höheren Energiezustand wechselt, das kann man möglicherweise bald beobachten – auf der großen Leinwand und in Superzeitlupe.