Ultraschnelle Elektronenmikroskopie: Unruhestifter auf atomarer Ebene

Wie arrangieren sich eigentlich verschiedene Atomarten miteinander, wenn sie – zum Beispiel in neuen Halbleitermaterialien – in hauchdünnen Schichten aufeinanderliegen? Um das erforschen zu können, bringt Professor Claus Ropers, Leiter der Arbeitsgruppe Nano-Optik und ultraschnelle Dynamik an der Georg-August-Universität Göttingen, atomare Strukturen mit ultrakurzen Lichtblitzen „aus der Ruhe“ und beobachtet, wie sie auf die Anregung reagieren und anschließend ihre ursprünglichen Plätze wieder einnehmen.

Der Physiker, der die Wechselwirkung von Licht mit Materie in Nanostrukturen untersucht, entwickelt neuartige Elektronenmikroskope, um solche Prozesse wie im Zeitraffer mit ultraschneller Auflösung im Piko- und Femtosekundenbereich verfolgen zu können (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Für seine Forschung wird er am 9. November an der Freien Universität mit dem Klung-Wilhelmy-Wissenschafts-Preis 2017 ausgezeichnet. Die mit 60 000 Euro verbundene Auszeichnung wird im jährlichen Wechsel an Physiker und Chemiker verliehen und gehört zu den höchstdotierten, privat finanzierten Preisen für deutsche Spitzenforscher in einem frühen Stadium ihrer Laufbahn. Die Jury würdigt damit Ropers „bahnbrechende Arbeiten auf dem Gebiet der ultraschnellen Elektronenmikroskopie und der nichtlinearen Licht-Elektronen-Wechselwirkung an Nanostrukturen“.

Claus Ropers ist grundlegenden Fragen der Festkörperphysik auf der Spur. Fragen, die aber auch Relevanz für den Alltag haben könnten, etwa wenn es um die Eigenschaften neuer Verbundwerkstoffe geht. „Bringt man zwei unterschiedliche Materialien in dünnen Schichten zusammen, entstehen Stoffe mit völlig neuen Eigenschaften. Das Ganze ist also mehr als die Summe der Einzelkomponenten“, sagt der Physiker, „und das Verhalten dieser Strukturen wollen wir auf atomarer Ebene verstehen.“ Im Fokus sind besonders Materialien, die künftig für Energieumwandlungsprozesse eingesetzt werden, beispielsweise in effektiveren Solarzellen oder Batteriesystemen.

Ropers forscht in Berkley auf dem Gebiet der Quantenoptik

Wäre Ropers der Familientradition gefolgt, wäre er heute im „Obstgeschäft“, wie er sagt. Denn der 40-Jährige stammt aus einer Obstbauernfamilie aus dem Alten Land bei Hamburg. „Dass ich Physiker werden will, wusste ich schon als Kind. Meine Eltern haben mich dabei immer unterstützt.“ Natürlich hatte er einen Elektrobaukasten. Als Schüler verbrachte er ganze Nächte am Teleskop, um den Sternenhimmel zu beobachten. Astrophysiker werden – das wär’s! „Aber da kann man leider nur beobachten, weniger selbst experimentieren.“

Ropers entscheidet sich also für das andere Ende der Größenskala – die Atome. 1997 beginnt er ein Physikstudium in Göttingen und wechselt nach dem Vordiplom für zwei Jahre an die University of California nach Berkeley. „Dort herrschte um die Jahrtausendwende eine unglaubliche Aufbruchstimmung.“ Ropers kann sich einer Arbeitsgruppe anschließen, die sich mit Quantenoptik befasst. „Obwohl ich noch studiert habe, hatte ich das tolle Gefühl, bereits dicht an der vordersten Front der Forschung zu sein.“

Zurück in Göttingen schreibt er seine Diplomarbeit über Photolumineszenz von Nanostrukturen. „Meine Ergebnisse waren aber nicht so spannend“, sagt er lachend. Als er seine spätere Frau kennenlernt, folgt er ihr nach Berlin. Dort am Max-Born-Institut arbeitet Ropers in der Arbeitsgruppe von Thomas Elsässer über „Femtosekunden-Anregungen in metallischen Nanostrukturen“. Damals begann er auch bereits, sich mit der Emission von Elektronen aus scharfen Metallspitzen zu befassen. Das sei ganz ähnlich wie bei einem Blitzableiter: Das Feld ist an der Spitze am stärksten, sagt Ropers. „Beleuchtet man eine Metallspitze mit einem kurzen Laserpuls, konzentriert sich das Licht derart darauf, dass die Intensität ausreicht, um Elektronen herauszuschlagen.“ Ein kurzer Elektronenblitz entstehe, der noch ungerichtet sei.

Zurück in Göttingen kann er seinen Traum verwirklichen

Ropers verbringt die nächsten Jahre damit, eine passende Elektronenoptik zu entwickeln, um einen feinen, parallelen Strahl daraus zu formen. Das gelingt unter anderem mithilfe elektromagnetischer Linsen. Und indem er eine gewisse Spannung an die Metallspitze anlegt, fliegen die Elektronen nun auch noch beschleunigt geradeaus durch die Materialproben, die der Physiker untersucht.

Damit betreibt er unter anderem Elektronenbeugung: „Wenn wir eine atomar glatte Oberfläche mit dem gepulsten Elektronenstrahl beschießen, erhalten wir ein Beugungsbild von ihr. Denn die Rückstreuung von der Oberfläche ist nicht diffus, sondern geht hauptsächlich in wohldefinierte Richtungen.“ Die Methode ähnele der Röntgenstrukturanalyse, habe aber den Vorteil, dass sie sehr oberflächensensitiv sei: Mit langsamen Elektronen würden nur die ersten ein bis drei Atomlagen „durchleuchtet“, sagt Ropers. Perfekt also, um deren atomare Struktur zu erforschen.

Dass Claus Ropers heute wieder zurück an seiner Alma Mater in Göttingen ist, empfindet er als Glück. „Eigentlich wollte ich nach der Promotion nach Kanada oder wieder nach Kalifornien. Aber dann wurde im Rahmen der Exzellenzinitiative in Göttingen eine Juniorprofessur mit Aussicht auf spätere Festanstellung ausgeschrieben.“ Ropers erste Tochter war gerade geboren worden. Seine Frau ist Psychotherapeutin und hätte im Ausland nur schwer arbeiten können. Also bewarb er sich auf die Stelle – nur sechs Monate nach der Promotion an der Humboldt-Universität und mit wenig Hoffnung auf Erfolg. „Ich dachte, wenn es klappt, habe ich sofort die Option, meinen Traum zu verwirklichen: Eine Professur, auf der ich selbstständig spannende Forschung machen kann, aber trotzdem abgesichert bin.“

Er schaut immer noch gern in den Nachthimmel - mit seinen Töchtern

Experimentalphysik wie Ropers sie betreibt, ist ohne die Arbeit in einer Gruppe nicht möglich, und er ist sehr stolz auf sein Team, wenn er in Kürze den Klung- Wilhelmy-Wissenschafts-Preis entgegennimmt. „Viele Mitarbeiter haben signifikant zum Erfolg beigetragen. Ohne sie wäre mir der Preis nie zuerkannt worden“, betont er. „Ich hatte wirklich Glück, dass sie zu mir gefunden haben.“

In den Nachthimmel schaut Claus Ropers übrigens immer noch gern. Heute zusammen mit den beiden älteren seiner inzwischen drei Töchter. „Sie wissen bereits, in welche Richtung sich der Mond bewegt und können erkennen, ob das, was sie sehen, ein Planet oder ein Stern ist: Denn Sterne flackern ganz schnell, weil sie praktisch Punktlichtquellen sind.“ Einen Physiker als Vater zu haben, hat offenbar gewisse Vorteile.

Preisverleihung ist am 9. November, 17 Uhr, im Henry-Ford-Bau der Freien Universität Berlin, Garystraße 35.

Klung-Wilhelmy-Wissenschafts-Preis

Mit dem Klung-Wilhelmy-Wissenschafts-Preis werden Spitzenforscher im Rahmen einer Kooperation zwischen der Otto-Klung-Stiftung an der Freien Universität und der Dr.-Wilhelmy-Stiftung ausgezeichnet. Die Ehrung wird im jährlichen Wechsel an Physiker und Chemiker vergeben. Die Auswahl der Preisträger erfolgt durch ständige Kommissionen am Institut für Chemie und Biochemie sowie am Fachbereich Physik der Freien Universität, ergänzt um Professoren anderer Hochschulen. Fünf der bisherigen Preisträger haben inzwischen den Nobelpreis erhalten – die Physiker Theodor W. Hänsch, Gerd K. Binnig, Horst L. Störmer und Johann Georg Bednorz sowie der Chemiker Hartmut Michel. Weitere wurden mit anderen bedeutenden nationalen und internationalen Auszeichnungen geehrt.

Catarina Pietschmann