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Weltrekord für Elektronen-Kameras

Physiker filmen Kristallschwingungen Weltrekord für Elektronen-Kameras

Ein Forscherteam der Universität Kassel sind Aufnahmen von Kristallschwingungen von unter einer billionstel Sekunde Dauer gelungen. Damit ist die benutzte Kamera eine der schnellsten der Welt. Die Physiker arbeiteten dafür nicht mit Licht, sondern mit Elektronen.

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Schematischer Blick in die Elektronen-Kamera.

Quelle: Uni Kassel

Kassel. Filme in Zeitlupe machen Bewegungen sichtbar, die für das menschliche Auge zu schnell sind. Dafür müssen viele einzelne Bilder aufgenommen werden, von denen jedes nur einen Bruchteil einer Sekunde belichtet wird, zum Beispiel eine tausendstel Sekunde bei Sportaufnahmen. Am Institut für Physik der Universität Kassel wurde nun ein Experiment durchgeführt, das wie eine Kamera mit Belichtungszeiten kleiner als eine billionstel Sekunde funktioniert.

Damit untersuchen die Wissenschaftler um Professor Dr. Thomas Baumert und Dr. Arne Senftleben winzige Bewegungen von Kohlenstoff-Atomen in einem Graphitkristall.Wird der Kristall erwärmt, so schwingen die Atome im Material hin und her. Solche Schwingungen oder andere Änderungen der Kristallstruktur kann das neue Experiment filmen, das war bislang nicht möglich.

Die Kamera arbeitet nicht mit Licht, sondern mit Elektronen, die die regelmäßige Struktur des Kristalls abbilden können. Ergebnis sind daher auch keine Fotografien im herkömmlichen Sinne, sondern sogenannte Beugungsbilder, aus denen sich die Anordnung der Atome berechnen lässt. Zum Filmen von Kristallschwingungen benötigt man Pakete von Elektronen, die schneller durch das Graphit fliegen, als die Atome schwingen.

Diese brauchen weniger als eine billionstel Sekunde, um einmal hin und her zu schwingen. Elektronenpakete von noch kürzerer Zeitdauer sind äußerst schwierig zu erzeugen, da sie sich durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen ausdehnen wie ein zusammengedrückter Gummiball.

Den Kasseler Forschern ist genau dies jedoch gelungen, vor allem dadurch, dass sie die wichtigsten Komponenten des Experiments möglichst dicht zusammen gerückt haben. „So haben die Elektronenpakete schlicht weniger Zeit, um sich auszudehnen“, stellt Professor Baumert fest, Leiter des Fachgebiets Femtosekundenspektroskopie und ultraschnelle Laserkontrolle an der Universität Kassel.

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