Forschungsteam aus Heidelberg und Mailand entwickelt neuartige Mikroskopietechnik zur Untersuchung von Energiematerialien

Ein extrem schnelles Mikroskopieverfahren zur Erforschung der Wechselwirkung von Licht und Materie macht es möglich, optische Prozesse auf sehr kurzen Zeitskalen zu untersuchen. Ein deutsch-italienisches Forschungsteam kombiniert dazu auf innovative Weise holographische Bildgebung mit ultraschneller Spektroskopie. So lassen sich selbst äußerst kurzlebige elektronische und magnetische Phänomene beobachten, die bei der Entwicklung und Anwendung neuartiger Energiematerialien eine große Rolle spielen. Die Forschungsarbeiten wurden in einer internationalen Kollaboration zwischen Wissenschaftlern des Physikalisch-Chemischen Instituts der Universität Heidelberg, des Polytechnikums Mailand und des Mailänder Instituts für Photonik und Nanotechnologie (Italien) durchgeführt.

Kernstück der Forschung ist ein Pump-Probe-Mikroskop, mit dem sogenannte Anregungs- und Abfrageexperimente realisiert werden. Dabei wird das zu untersuchende Material zunächst mit einem kurzen Lichtpuls angeregt, während ein zweiter Puls die zeitabhängige Reaktion abbildet. Durch den Vergleich von Messungen mit ein- und ausgeschalteter Anregung können diese Prozesse präzise rekonstruiert werden. „In der Verbindung von holographischer Bildgebung mit ultraschneller Spektroskopie lassen sich elektronische und magnetische Dynamiken räumlich aufgelöst und auf Zeitskalen von Femto- bis Pikosekunden verfolgen“, erläutert Dr. Julia Anthea Gessner, die als Projektleiterin im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1249 „N-Heteropolyzyklen als Funktionsmaterialien“ und als Gruppenleiterin am Physikalisch-Chemischen Institut forscht.

Die neuartige Methode des deutsch-italienischen Forschungsteams ermöglicht es, elektromagnetische Phänomene gleichzeitig und über große Sichtfelder hinweg abzubilden, wie Dr. Martin Hörmann vom Polytechnikum Mailand erläutert. Im Gegensatz zu anderen Mikroskopieverfahren können dadurch mikrometergroße Bereiche erfasst und zeitaufgelöste „Filme“ der Ladungs- und Spindynamik von Elektronen erzeugt werden. Zudem lassen sich so auch durch Licht ausgelöste Veränderungen der optischen Materialeigenschaften sichtbar machen. „Unser chiroptischer Ansatz eröffnet damit völlig neue Möglichkeiten, dynamische Prozesse in komplexen Materialien direkt zu beobachten“, so Dr. Hörmann, der gemeinsam mit Dr. Gessner und Doktorand Federico Visentin maßgeblich an den aktuellen Forschungsarbeiten beteiligt war.

Zum Einsatz kommen soll dieses besonders hochauflösende, ultraschnelle bildgebende Verfahren vor allem bei Energiematerialien. Dies sind Materialien, die für nachhaltige Technologien wie Solarzellen, LEDs und Spin-LEDs oder innovative elektronische Bauelemente von Bedeutung sind. „Die Mikroskopietechnik eröffnet neue Einblicke in ultraschnelle optische Prozesse insbesondere im Hinblick darauf, wie sie sich im Zusammenhang mit Zusammensetzung und Struktur der Materialien verändern“, betont Prof. Dr. Felix Deschler, der am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg forscht. Nach den Worten von Prof. Dr. Franco V. A. Camargo, Wissenschaftler am Mailänder Institut für Photonik und Nanotechnologie, kann die Erforschung der Wechselwirkung von Licht und Materie wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung effizienter und langlebiger Komponenten für die Optoelektronik und die Spintronik liefern.

Die Europäische Union hat die Forschungsarbeiten gefördert. Sie waren eingebunden in die vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten Starting Grants für Prof. Deschler und für Prof. Camargo. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht.