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Gut Ding will Weile haben:

Physikerin beobachtet Elektronen-Wellen

Von Unispectrum live
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Die Physikerin Anna-Katharina Mahro hat sich der Welt winziger Teilchen verschrieben. Im Rahmen ihrer Promotion beschäftigt sie sich mit Schwingungen von Elektronen, sogenannten Plasmonen. Gemeinsam mit einem internationalen Team hat sie es kürzlich geschafft, diese Bewegungen erstmals zu beobachten.

Für Anna-Katharina Mahro sind vor allem zwei Dinge wichtig bei ihrer Arbeit im Labor: Ausdauer und Geduld. Und davon benötigt die junge Forscherin gleich zwei große Portionen, wenn sie die Apparaturen, mit denen sie täglich arbeitet, für ihre Experimente vorbereiten will. Mahros Arbeitsgeräte bestechen durch ihre sehr imposante Erscheinung: In den Laboren stehen sie dicht nebeneinander, komplexe Laseranlagen und große Elektronenmikroskope aus Edelstahl, die auf den ersten Blick an Geräte aus Science-Fiction-Filmen erinnern.

Mit ihnen gelingt Mahro der Blick in die Welt winzig kleiner Teilchen – der Elektronen, ihrem Forschungsgebiet. Und dafür braucht sie viel Zeit. Wenn andere morgens direkt in den Arbeitstag starten, heißt es für sie oft, erst einmal die Technik zum Laufen zu bringen. Dann ist Geduld gefragt. Mit etwas Glück kann sie gegen Mittag den Laser justieren und schon am frühen Nachmittag mit den Versuchen starten. „Manchmal dauert es auch bis 17 Uhr, bis ich mit den Messungen beginnen kann“, sagt sie. Läuft alles, ist es für sie und ihre Kollegen üblich, die Messungen über mehrere Tage hinweg laufen zu lassen. „Wir wechseln uns dabei ab“, fährt sie fort. „Wir müssen alles im Blick behalten, damit die Messungen stabil laufen.“

Die Physikerin arbeitet in der Arbeitsgruppe von Professor Martin Aeschlimann am Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften, kurz OPTIMAS. Sie widmet sich in ihrer Arbeit den Plasmonen. „Die Physik bezeichnet damit die Schwingungen von Elektronen. In unserer Arbeit regen wir die Plasmonen mit Lichtpulsen an und untersuchen Bahn- und Eigendrehimpuls der erzeugten Elektronenwellen.“

Ähnlich wie Wasserwellen können auch Plasmonen einen Strudel auslösen, einen sogenannten Bahndrehimpuls. Dies geschieht in Bereichen von unter 100 Nanometern, nicht mehr sichtbar für das menschliche Auge. Um solche Phänomene überhaupt zu beobachten, braucht die Forschung diese komplexen Apparaturen, wie sie in Kaiserslautern stehen. Mit ihnen ist es dem Team um Mahro nun erstmals gelungen, einen solchen Bahndrehimpuls auf einem Metall zu beobachten und zu filmen.

„Wir haben dazu zunächst hauchdünne, nur 200 Nanometer dicke Goldschichten hergestellt“, fährt sie fort. „Um diese Strudel zu beobachten, haben wir zwei Techniken kombiniert. Mit dem Femtosekundenlaser haben wir die Plasmonen auf dem Gold durch kurze Laserpulse angeregt, die Bewegungen konnten wir danach mit dem Fotoelektronenmikroskop aufzeichnen.“

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Wir müssen alles im Blick behalten, damit die Messungen stabil laufen.

Anna-Katharina Mahro

Die Erkenntnisse könnten dabei helfen, in der Zukunft Techniken zu entwickeln, um den Datentransfer schneller und stabiler zu machen. Für die Wissenschaft sind diese Wellen interessant, weil sie kohärent sind, das heißt, ihre Phasen – die Wellenberge und -täler – sich konstant ausbreiten. „Dadurch wäre es etwa möglich, das Verarbeiten von Daten genau zu berechnen“, sagt Mahro.

Hinter diesem für die Wissenschaft bahnbrechenden Ergebnis, das kürzlich in einer der wichtigsten Fachzeitschriften veröffentlicht wurde, steckt viel Arbeit. „Begonnen haben wir vor rund zwei Jahren“, sagt Mahro. Am Projekt waren neben Forscherteams aus Kaiserslautern, Duisburg und Stuttgart auch Kollegen aus Israel beteiligt – der israelische Physiker Grisha Spektor war für die Arbeiten regelmäßig zu Gast auf dem Kaiserlauterer Campus.

„In der Physik laufen viele Projekte in internationalen Kooperationen. Da sind wir in Deutschland, aber auch hier an der TU gut aufgestellt“, sagt die junge Frau, die damals beim Schülerinnentag auf das Physikstudium aufmerksam geworden war und sich nach einem ausführlichen Gespräch mit Kerstin Krauß, der Geschäftsführerin des Fachbereichs Physik, für ein Studium in Kaiserslautern entschieden hat. Bereut hat sie diese Entscheidung nie. „Das Studium und die Betreuung hier ist sehr gut“, erzählt sie. „Die Professoren haben immer ein offenes Ohr. Man muss nicht lange auf einen Termin warten.“ – Ganz im Gegensatz zu ihren Versuchen, bei denen Geduld gefragt ist, bis alles läuft.

 

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Erstellt
am 26.06.2017 von
Melanie Löw