ETH Zürich: Forschungsteam widerlegt uralte Annahme der Physik
Ein Team der ETH Zürich macht eine Entdeckung über Atome, die physikalische Forschungsmethoden verändern könnte.
Das Wichtigste in Kürze
- Jahrzehntelang glaubte man, dass Elektronen und Atomkerne gleich schnell seien.
- Nun fand man heraus, dass Elektronen um bis zu 30 Femtosekunden hinterherhinken.
- Die neuen Erkenntnisse könnten zu präziseren mathematischen Modellen führen.
Eine alte Physik-Regel wankt: Forschende der ETH Zürich zeigen, dass Elektronen den Atomkernen hinterherhinken. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Elektronik.
Bisher glaubten Physikerinnen und Physiker, dass die leichten Elektronen in einem Festkörper der Bewegung schwerer Atomkerne ohne Verzögerung folgen. Bekannt ist die Annahme als Born-Oppenheimer-Näherung.
Ein Team der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts in Hamburg hat sie nun für bestimmte Materialien widerlegt. Dies teilte die ETH Zürich am Dienstag mit. Die Resultate veröffentlichten die Forschenden im Fachblatt «Science».
Für ihre Untersuchung nutzte das Forschungsteam die sogenannte Attosekunden-Spektroskopie. Mit dieser Technologie lassen sich Vorgänge in sehr kurzer Zeit beobachten: Eine Attosekunde entspricht einem Milliardstel einer Milliardstel-Sekunde.
Die Forschenden versetzten das Gitter eines graphenähnlichen Materials namens MXen mit einem Infrarot-Laserpuls ins Schwingen. Anschliessend massen sie mit einem zweiten, extrem kurzen Laserpuls, wie die Elektronen darauf reagierten.
Drei ssig Femtosekunden langsamer
Dabei stellten sie fest, dass die Elektronen den Schwingungen der Atomkerne um bis zu dreissig Femtosekunden (Billiardstelsekunde) hinterherhinkten: Das entspricht 30'000 Attosekunden.
In der Welt der Attosekunden sei das eine sehr lange Zeit, so der Erstautor der Studie, Sergej Neb.
Die Messdaten wurden verglichen mit einem mathematischen Modell der Hamburger Kollegen. Dies zeigte, dass die Schwingungen der Atomkerne die räumliche Verteilung der Elektronen beeinflussen. Dies wiederum verändert die lokalen elektromagnetischen Felder.
ETH Zürich: Eine Entdeckung, die einschlägt
Die verwendete Methode erlaube es laut Forschenden erstmals, die Dynamik zwischen Elektronen und Gitterschwingungen auf Ebene einzelner Atome zu beobachten.
Die neuen Einblicke könnten den Forschenden zufolge zu präziseren mathematischen Modellen führen. Zudem sind laut den Forschenden praktische Anwendungen denkbar.
Ein besseres Verständnis des Energie- und Ladungstransports eröffne mehr Kontrolle über Materialien. Damit entstünden neue Möglichkeiten für gewisse winzige, elektronische Bauteile.
