Linsen, Blenden, Spiegel und andere optische Elemente leiten grüne und rot-orange Laserstrahlen entlang eines Experimentier-Tischs.

Starkfeld-Photoemission

Trifft Licht auf eine Metalloberfläche, können dadurch Elektronen aus dem Material gelöst werden – allerdings nur, wenn die einzelnen Lichtquanten genügend Energie besitzen. Diese Bedingung muss in Nanostrukturen, die mit sehr intensiven Laserpulsen beschossen werden, offenbar nicht mehr erfüllt sein. Philipp Hummel sprach für unseren Podcast mit Claus Ropers von der Universität Göttingen über dieses als Starkfeld-Photoeffekt bezeichnete Phänomen. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Was geschieht, wenn Licht mit Materie in Wechselwirkung tritt, fasziniert Naturforscher seit jeher. Auch Claus Ropers, Professor am Institut für Materialphysik der Universität Göttingen, befasst sich mit dieser Frage. Er beschießt Nanostrukturen aus Metall mit ultrakurzen, intensiven Laserpulsen und konnte zeigen, dass die starken Lichtfelder Elektronen aus den Nanostrukturen herauslösen können. Für seine Arbeit an dieser „Starkfeld-Photoemission“ verlieh ihm die Deutsche Physikalische Gesellschaft auf ihrer Jahrestagung in Regensburg im März dieses Jahres den Walter-Schottky-Preis. Ropers' Forschung befasst sich mit einem Phänomen, das eine der Grundlagen für die Entwicklung der Quantenmechanik bildete: dem photoelektrischen Effekt oder kurz Photoeffekt. Im Jahr 1887 entdeckte Heinrich Hertz in einem seiner Experimente, dass aus Metallen unter der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht Elektronen austraten.

Claus Ropers ist ein Mann Anfang dreißig. Er hat rot-braune, kurze Haare und trägt ein blaues Hemd sowie eine schmale Brille.
Claus Ropers

„Und später hat dann Philipp Lennard viele der Zusammenhänge und Abhängigkeiten des Photoeffekts beobachtet. Er hat gemessen wie die Geschwindigkeit der Elektronen von den unterschiedlichen Eigenschaften des Lichts abhängt. Er hat zum Beispiel erwartet, dass die Elektronen schneller werden, wenn man eine höhere Intensität einstrahlt. Aber er hat genau das Gegenteil beobachtet, das heißt, die Geschwindigkeit der Elektronen hing überhaupt nicht von der Intensität ab. Das war komplett entgegen der klassischen Erwartung – schließlich war ja von Photonen oder Quantenmechanik noch nicht die Rede.“

In weiteren Experimenten zum Photoeffekt an Metallen zeigte sich eine untere Energiegrenze und somit eine minimale Lichtfrequenz, die erreicht werden muss, um Elektronen aus einem Metall herauszuschlagen. Ist diese sogenannte Austrittsarbeit einmal aufgebracht, sind die freien Elektronen umso schneller, je höher die Frequenz des eingestrahlten Lichtes ist. Diese Vorstellung widerspricht der klassischen Physik völlig. Schließlich war es Albert Einstein, der in seinem Wunderjahr 1905 in einem von mehreren bedeutenden Aufsätzen den Photoeffekt erklärte. Dazu entwickelte er die sogenannte Lichtquantenhypothese. Licht kommt in der Natur in einzelnen Energiepaketen – den Quanten – vor und die Energiemenge, die ein einzelnes Lichtquant oder Photon besitzt, ist nach dieser Hypothese von dessen Frequenz abhängig. Diese Idee bildet den Ausgang der Quantenmechanik. Beim neuen Phänomen der Starkfeld-Photoemission verhält sich allerdings einiges anders.

Unterschiede zum normalen Photoeffekt

„Zum einen gibt es keine minimale Lichtfrequenz, ab der überhaupt Elektronen ausgelöst werden können. Selbst statische Emission ist möglich, statisches Tunneln – das findet in jedem Rastertunnelmikroskop statt, wenn man einfach eine Spannung anlegt –, aber auch jede Frequenz zwischen Null und derjenigen Frequenz, ab der der normale Photoeffekt einsetzt. Dann ist es so, dass die Geschwindigkeit der Elektronen mit höherer Lichtintensität zunimmt. Also gerade das, was die klassischen Physiker wie Lennard so irritiert hat, das findet man jetzt tatsächlich bei diesen hohen Intensitäten. Zudem werden die Elektronen schneller, wenn man längere Wellenlängen oder kleinere Frequenzen anwendet. Das liegt im Wesentlichen daran, dass langsame Frequenzen die Elektronen effektiver hin- und hertreiben können. Das heißt, bei einer niedrigeren Frequenz hat man eine längere Phase, in der die Elektronen in eine Richtung getrieben werden. Das führt dann zu einer höheren Energie.“

Entscheidend für den Starkfeld-Photoeffekt sind zwei Errungenschaften der modernen Physik: nanostrukturierte Materialien und sehr intensive Laserpulse mit außerordentlich starken elektrischen Feldern. Die Gruppe von Claus Ropers verwendet in ihren Experimenten dünne Nanospitzen aus Wolfram oder Gold.

„Hergestellt werden die durch elektrochemisches Ätzen. Eine Goldspitze hält man beispielsweise in Salzsäure und legt zwischen der Spitze und einer Platinelektrode eine Spannung an. Dann wird sie geätzt und wird immer schmaler an der Oberfläche. Und irgendwann fällt der untere Teil ab und man erhält eine scharfe Spitze – teilweise etwa zehn Nanometer im Durchmesser. Die Felder werden an diesen Spitzen ungefähr um den Faktor zehn verstärkt. Das heißt, die Intensität des eingestrahlten Lichtes wird dann hundertmal und teilweise auch mehr als hundertmal verstärkt.“

Dieses eingestrahlte Licht besteht aus ultrakurzen Laserpulsen. Die Pulse besitzen ohnehin schon enorme Feldstärken, die auf die Metallspitzen wirken.

„Ein paar zehn Femtosekunden sind diese Pulse lang. Sie treiben die Elektronen in der Spitze hin und her. Und in dem Halbzyklus, in dem das Feld die Elektronen in die Spitze hineintreibt, bekomme ich am Ende der Spitze eine sehr hohe Feldstärke. Erst durch diesen Effekt, also dass alle Elektronen in diese Spitze reingetrieben werden – durch den Blitzableitereffekt, wenn man so möchte –, wird diese Feldüberhöhung überhaupt ausgelöst.“

Mögliche Anwendungen

Während die Photonen ihre Energie beim normalen Photoeffekt direkt auf die Metallelektronen übertragen und sie so aus der Oberfläche lösen können, wirkt bei der Starkfeld-Photoemission ein anderer quantenmechanischer Effekt – der Tunneleffekt. Die Wellen der intensiven Laserpulse erzeugen in der dünnen Spitze so hohe elektrische Feldstärken, dass die Elektronen nur noch eine kleine Energiebarriere überwinden müssen, um die Spitze zu verlassen. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik besteht dafür eine geringe, aber ausreichend große Wahrscheinlichkeit. Im vergangenen Jahr gelang Claus Ropers und seinen Mitarbeitern ein Durchbruch in dem noch jungen Forschungszweig. Sie konnten zeigen, dass man Elektronen mit infrarotem Licht aus Nanostrukturen herauslösen kann. Dieses Ergebnis lässt sich mit dem normalen Photoeffekt nicht erklären – die Energie eines einzelnen Infrarotphotons hätte nicht genügt, um ein Elektron aus dem Metall freizusetzen. Stattdessen wäre die Energie Tausender Infrarotphotonen nötig, um den Prozess stattfinden zu lassen.

„Bei solchen hohen Photonenzahlen macht es dann keinen Sinn mehr, von einzelnen Photonen oder Multiphotonprozessen zu sprechen. Stattdessen spielt die Wechselwirkung mit diesem kontinuierlichen, klassischen, oszillierenden Feld eine Rolle und das ist dann eigentlich auch die genauere Beschreibung.“

Ein rot eingezeichneter Laserpuls, der mehrere Schwingungen lang ist, trifft auf eine Nanospitze und erzeugt dort ein verstärktes elektrisches Feld, das als runder Schein um das Ende der Spitze dargestellt ist.
Laserpuls lässt Elektronen tunneln

Der „altmodische“ neue Photoeffekt könnte Anwendung in der Weiterentwicklung von Elektronenmikroskopen finden. Ropers und sein Team wollen die scharfen Metallspitzen in Elektronenmikroskope einbauen und sie dort – unter der Wirkung ultrakurzer Laserpulse – als Elektronenquelle nutzen. Diese Kombination könnte Elektronenmikroskope mit einer sehr hohen Zeitauflösung ermöglichen. Bisher versuchen Forscher mit schnelleren Kameras kürzere Zeiten zu erreichen.

„Dort kommt man in den Bereich von Millisekunden – man nimmt also einige Hundert bis vielleicht Tausend Bilder pro Sekunde auf.“

Mit der Idee aus Ropers Gruppe ließen sich hingegen Prozesse beobachten, die im Bereich von Femtosekunden ablaufen. Eine Femtosekunde ist eine Billion Mal kürzer als eine Millisekunde. Er selbst will zwar der Grundlagenforschung die Treue halten, doch kann sich Ropers die Ausgründung einer Firma durch Mitarbeiter seiner Gruppe vorstellen. Es bestünde dann die Möglichkeit,…

 „…dass zukünftig jemand die Zeitauflösung eines Elektronenmikroskops erhöhen kann – in den Bereich von hundert oder zweihundert Femtosekunden vielleicht –, indem wir diese Modifikation ins Elektronenmikroskop einbauen. Man braucht dann aber noch ein sehr teures Lasersystem und man muss Leute haben, die sowohl Ahnung von Elektronenmikroskopie als auch von Ultrakurzzeitlasern haben. Das ist in der Kombination zwar ziemlich anspruchsvoll, aber auf jeden Fall eine Richtung, in die es gehen wird.“