Orbital Cinema

In Zeitlupenvideos direkt zu sehen, wie sich Elektronen in quantenmechanischen Orbitalen bewegen und wie diese Bewegung die Funktionalitäten kondensierter Materie formt, ist ein Traum aller Natur- und Lebenswissenschaften. Diese Vision ist jedoch mit der gewaltigen Herausforderung verbunden, die mikroskopische Struktur elektronischer Orbitale mit gleichzeitiger ultraschneller Zeitauflösung abzubilden.

Wir werden die orbitale Kinematographie zur Realität machen. Dieser bahnbrechende Durchbruch beruht auf den einzigartigen Synergien zwischen der Photoemissions-Orbital-Tomographie (POT), der ultraschnellen Photoelektronenspektroskopie, der Lichtwellenelektronik und der fortgeschrittenen Theorie, die von uns entwickelt wurden und bei denen wir Pionierarbeit geleistet haben. Gestützt auf unsere jüngsten Proof-of-Principle-Studien werden wir diese Aspekte kombinieren, um die POT in eine Kinematographie auf noch nie dagewesenen Zeitskalen zu verwandeln, schneller als eine einzige Schwingungsperiode des Lichts. Dies wird es uns ermöglichen, den Nanokosmos systematisch auf den ihm innewohnenden Femto- bis Attosekunden-Skalen (der milliardste Teil einer milliardstel Sekunde) zu erforschen. Wir werden Zeitlupenaufnahmen von Molekülorbitalen bei Ladungstransferprozessen, chemischen Reaktionen an der Oberfläche und von Wellenpaketen, die von Lichtwellen angetrieben werden, machen

Orbital Cinema wird somit Schlüsselfragen im Zusammenhang mit einem breiten Spektrum von Anwendungen lösen, von der Optoelektronik der nächsten Generation, der Energieumwandlung, der Photochemie und der Katalyse bis hin zur zukünftigen Elektronik mit optischen Taktraten. Wir erwarten, dass es unser Verständnis des Nanokosmos revolutionieren wird, indem es - auf elementaren räumlich-zeitlichen Skalen - die innere Struktur von Quantensprüngen, Starkfeldsteuerung von Elektronen, Ladungstransferprozessen und chemischen Reaktionen sowie deren Steuerung durch elektrische Felder und Licht aufklärt.

Seit den Anfängen der Quantenmechanik gehört die zeitliche Entwicklung von elektronischen Orbitalen zu den am meisten gesuchten, aber schwer fassbaren Quantenprozessen. Unsere modellfreie Beobachtung der Orbitalbewegung schafft ein beispielloses Labor für ultraschnelle Wellenfunktionen, das uns zu den Grundlagen der Quantenwissenschaft führen wird.

Diese Forschung wird durch einen ERC Synergy Grant finanziert: Orbital Cinema.