Energie aus Licht 13.11.2013, 08:30 Uhr

Ultraschnelle Nano-Optik: Golfspiel mit Elektronen

Physiker in Oldenburg experimentieren mit Gold und einem Laser, um besser zu verstehen, was beispielsweise in Solarzellen geschieht. Auch die Entwicklung von biologischen Brennstoffzellen könnte davon profitieren.

Energieverteilung der aus Goldspitzen herausgeschlagenen Elektronen. Die Ladungsträger erreichen eine Geschwindigkeit von 30 000 Kilometer pro Sekunde.

Energieverteilung der aus Goldspitzen herausgeschlagenen Elektronen. Die Ladungsträger erreichen eine Geschwindigkeit von 30 000 Kilometer pro Sekunde.

Foto: Uni Oldenburg

Physiker an der Universität Oldenburg haben eine Art Golfspiel entwickelt, um herauszufinden, wie genau die Stromproduktion in einer Solarzelle oder einer Pflanze funktioniert. Als Ball nutzen sie Elektronen, als Schläger einen extrem kurzen Laserimpuls und als Tee – das ist ein kleiner Holz- oder Plastikstift, auf den der Ball beim Abschlag gelegt wird – eine extrem feine Spitze aus Gold. Den Speziallaser, der extrem kurze Blitze abschießt, haben die Niedersachsen gemeinsam mit Forschern der Universität Mailand gebaut.

Der Laserimpuls schießt aus der Goldspitze ein Elektron heraus. Es wird gleichzeitig auf eine unvorstellbar große Geschwindigkeit gebracht: Auf 30 000 Kilometer pro Sekunde. Dazu ist das – noch unvorstellbarere – 100-trillionenfache der Erdbeschleunigung nötig. Physikalisch passiert hier das gleiche wie in einer Solar- oder Pflanzenzelle. Das einfallende Licht – hier das der Sonne, im Oldenburger Experiment der Laserblitz – regt Elektronen an. Sie werden auf ein höheres Energieniveau gehievt. In diesem Zustand sind sie nicht stabil. Sie setzen alles daran, auf ihr gewohntes Niveau zurückzukehren. Dazu geben sie die überschüssige Energie ab.

Noch komplexere Bewegungen in Solarzellen

Dieses Zusammenspiel hat noch niemand gesehen, weil es einfach zu schnell geht. Mit dem Golfversuch hat die Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ unter der Leitung von Professor Christoph Lienau die Grundlage für ein besseres Verständnis dieser Prozesse geschaffen. „Die Goldspitzen dienen uns als besonders gut definierter Abschlagpunkt für die Elektronen. Sie sind so einfach strukturiert, dass wir unsere experimentellen Ergebnisse gut mit Modellrechnungen vergleichen können. Wir lernen“, so Lienau, „wie sich Elektronen auf solch kurzen Zeit- und Längenskalen bewegen.“

Dieses Wissen ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der noch komplexeren Elektronenbewegungen in technologisch relevanten Bauelementen wie Solarzellen. Die Oldenburger Wissenschaftler arbeiten daher intensiv daran, die neu entwickelten experimentellen Techniken zur Aufklärung von Energiewandlungsprozessen in Solarzellen und biologischen Nanostrukturen zu nutzen. Das kann helfen, noch effektivere Solarzellen zu bauen und biologische Brennstoffzellen zu bauen, in denen die Technik imitiert wird, die die Natur zur Energiegewinnung entwickelt hat.

Von Wolfgang Kempkens
Von Wolfgang Kempkens

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