Doppelplusgut

Carl-Ramsauer-Preis 2008 geht gleich zweimal ans Max-Born-Institut

Die Physikalische Gesellschaft zu Berlin verleiht Preis an exzellente junge Physiker

Dr. Claus Ropers (31) und Dr. Anke B. Schmidt (31) sind zwei der diesjährigen Preisträger des Carl-Ramsauer-Preises der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin. Claus Ropers wird für seine Dissertation an der Humboldt-Universität ausgezeichnet, Anke B. Schmidt promovierte an der Freien Universität; die Arbeiten dazu führten die beiden Forscher am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) durch. Der Preis wird am 19. November in der Universität Potsdam verliehen.

Claus Ropers

Auf dem Gebiet der Nano-Optik versuchen Physiker, Licht in kleinsten Maßstäben zu beherrschen. Eines der Ziele ist es, optische und elektronische Technologien auf einem Mikrochip zu vereinen. In diesem Zusammenhang hat sich Claus Ropers im Rahmen seiner Dissertation mit den grundlegenden Eigenschaften plasmonischer Anregungen in metallischen Nanostrukturen beschäftigt. Solche Anregungen entstehen beispielsweise, wenn Laserlicht unter einem bestimmten Winkel auf ein feines Metallgitter fällt. Das Licht wird dann nicht nur reflektiert, sondern kann sich eine zeitlang auf der Oberfläche des Metallgitters ausbreiten – die Physiker sprechen von Oberfächenplasmonen.

Ropers untersuchte die Ultrakurzzeitdynamik von solchen Oberflächenplasmonen. Mit einer speziellen Interferenzmessung konnte Ropers Lebensdauern der Oberflächenplasmonen von über 200 Femtosekunden beobachten, was weitaus länger ist, als bisher für diese Strukturen vermutet wurde. Weiter ermittelte er die elektromagnetische Feldverteilung  nahe der metallischen Oberfläche mit einem eigens dafür konstruierten spektral auflösenden optischen Nahfeldmikroskop. Die Kombination der verschiedenen zeitlich und räumlich auflösenden Messverfahren lieferte völlig neue Einblicke und ein tieferes Verständnis dieser Nanostrukturen.

In einem weiteren Ergebnis seiner Grundlagenexperimente entwickelte der Physiker eine neuartige nanoskopische Lichtquelle. Er verwendete dafür eine goldene Nadel, auf deren Spitze eine Gitterstruktur eingraviert war. Durch Bestrahlung mit Laserimpulsen bildeten sich Oberflächenplasmonen, die am Ende der Nadel einen extrem intensiven, winzig kleinen Lichtpunkt erzeugten - viel kleiner, als man es mit einer herkömmlichen Linse erreichen könnte. Der Effekt könnte ganz neue Anwendungen in der Mikroskopie ermöglichen, wenn sehr kleine Lichtquellen für eine hohe Auflösung benötigt werden. Seine Ergebnisse publizierte Ropers in einer Reihe hoch angesehener Fachzeitschriften.

Für den Betreuer der Arbeit, Prof. Thomas Elsässer, Direktor am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, ist Claus Ropers ein herausragender Nachwuchswissenschaftler, der auf dem Gebiet der Festkörperphysik Bedeutendes geleistet hat. Elsässer schätzt insbesondere das große experimentelle Geschick und das mathematische Talent des jungen Physikers; letzteres hat er zur quantitativen theoretischen Modellierung der experimentellen Ergebnisse genutzt. Seit 1. Juli 2008 ist Claus Ropers Juniorprofessor an der Universität Göttingen. Er baut dort eine Arbeitsgruppe am „Courant Forschungszentrum Nano-Spektroskopie“ auf.

Anke B. Schmidt

Während magnetische Speicher in heutigen Festplatten in Nanosekunden beschrieben werden, zeigen Laserexperimente optisch ausgelöstes Schalten auf der Zeitskala von Femtosekunden, also eine Million mal schneller. Bisher ist allerdings noch unbekannt wie dieses ultraschnelle Schalten mikroskopisch funktioniert. Anke Schmidt untersuchte in ihrer Doktorarbeit, welche Prozesse an der Entmagnetisierung von ferromagnetischen Schichten durch ultrakurze Laserimpulse beteiligt sein können.

Das ultraschnelle Schalten verblüfft Forscher nach wie vor: Der Eigendrehimpuls eines Elektrons, der sogenannte Spin, verleiht Elektronen ein eigenes (sehr kleines) magnetisches Moment, ähnlich einer winzigen Kompassnadel. In einem ferromagnetischen Material zeigt die Mehrheit der Elektronenspins in eine Richtung, was Eisen, Nickel und Co ihre Magnetisierung verleiht. Um die Magnetisierungsrichtung eines magnetischen Bits zu verändern, müssen also Elektronenspins gedreht werden, d.h. Elektronen müssen ihren (Eigen)Drehimpuls abgeben, zum Beispiel an das Kristallgitter. Letzterer Prozess ist allerdings zu langsam um das ultraschnelle Ummagnetisieren erklären zu können. Es müsste daher entweder die Drehimpulserhaltung verletzt werden - neben Energie und Impuls eine der wichtigsten Erhaltungsgrößen - oder ein schnellerer Prozess gefunden werden, mit dem Elektronen ihren Drehimpuls loswerden können.

Ein möglicher Prozess wäre die Verteilung des Drehimpulses von einem auf ganz viele Elektronen, was der Anregung einer so genannten Spinwelle, auch Magnon genannt, entspricht. Diese Elektronen bräuchten dann wiederum nur ihr kleines bisschen Drehimpuls auf das Kristallgitter zu übertragen. Anke Schmidt führte in ihrer Doktorarbeit verschiedene Experimente durch, mit denen sie untersuchte, wie schnell ein einzelnes Elektron solch eine Spinwelle erzeugen kann. Es stellte sich heraus, dass dieser Prozess nur wenige Femtosekunden benötigt und daher beim Femtomagnetismus eine große Rolle spielt.

Für ihre Untersuchungen verwendete Frau Schmidt unter anderem die Methode der zeitaufgelösten Photoemissionspektroskopie. Das von ihr maßgeblich mitentwickelte Experiment liefert nach Einschätzung ihrer Fachkollegen heute die „qualitativ weltweit besten, spin- und zeitaufgelösten Zwei-Photonen-Photoemissionsmesskurven“.

Kontakt:

Prof. Thomas Elsässer, Max-Born-Institut, Tel.: 030 6392 1401