Joel Kuttruff hat ein ultraschnelles Elektronenmikroskop mit Lasertechnologie kombiniert. Damit lassen sich Ort und Zeit zugleich höchst präzise messen, und nanophotonische Systeme, die Licht auf extrem kleine Räume konzentrieren, können endlich genauer erforscht werden.
Bisher waren es getrennte Welten: Mit Elektronenmikroskopen lassen sich sogar räumlich höchst präzise Messungen vornehmen – bis hin zur Auflösung von einzelnen Atomen. Die Lasertechnologie ermöglicht es dagegen, zeitlich genaue Messungen im Bereich von Attosekunden vorzunehmen, also in weniger als einer Billiardstelsekunde. Zusammen konnten Raum und Zeit bisher dagegen nicht gleichzeitig in solcher Präzision gemessen werden. Joel Kuttruff hat nun ein Verfahren entwickelt, um ultraschnelle Prozesse auch auf der Zeitskala von Attosekunden beobachten zu können.
Die dabei angewandte Methode vergleicht der Physiker mit dem Stroboskop in der Diskothek. „Wenn man tanzt und das Licht an- und ausgeht, entsteht der Eindruck, dass das Bild der Tänzer eingefroren ist.“ Er hat Licht eingesetzt, um extrem kurze Elektronenimpulse zu erzeugen. „Wir haben den kontinuierlichen Strahl von Elektronen mit Laserlicht moduliert“, sagt Joel Kuttruff. „Damit wird es möglich, sehr kurze Elektronenimpulse herzustellen, mit denen man dann zum Beispiel elektromagnetische Nahfelder oder chemische Reaktionen mit sehr guter Zeitauflösung anschauen kann.“
Hochgeschwindigkeit:
Attosekunde
Elektronen sausen in 10-18 Sekunden um den Atomkern – also in 0,000000000000000001 Sekunden. 1 Sekunde verhält sich zu 1 Attosekunde ungefähr so wie das Alter des Universums zu 1 Sekunde.
Laserlicht und Elektronenstrahl arbeiten so zusammen, dass sich
Prozesse im Nanobereich filmen lassen und Bewegungen von Elektronen
und elektromagnetischen Feldern in Echtzeit verfolgt werden können.
Ein Schritt – viele Chancen
In extreme Raum-Zeit-Bereiche vorzudringen, sei lange eine der größten Herausforderungen in der Nanophotonik gewesen, sagt Joel Kuttruff. Die Möglichkeit, nanophotonische Prozesse nun mit Sub-Nanometer-Genauigkeit im Raum und gleichzeitig in Sub-Femtosekunden-Auflösung in der Zeit erfassen zu können, sei ein entscheidender Schritt, um die Dynamik jedes einzelnen „Meta-Atoms“ zu verstehen – samt zeitlichen Verzögerungen und Interferenzeffekten.
Der Forschung eröffnen sich dadurch viele neue Chancen. Da Licht in nanophotonischen Systemen auf extrem kleine Räume konzentriert wird, entsteht eine enorme Energiedichte. Diese könnte sich effizienter für chemische Prozesse nutzen lassen und photochemische Reaktionen ermöglichen, für die man bisher sehr hohe Temperaturen und große Energiemengen benötigt. In der Elektronik könnten schnellere und effizientere Bauteile produziert werden und sich zum Beispiel Chips gezielt optimieren lassen für energieeffiziente Computer oder neue Quantentechnologien.
Durch lichtgetriebene Wasserspaltung könnten aber auch klimafreundliche Energieträger wie grüner Wasserstoff hergestellt werden, ist der junge Wissenschaftler überzeugt. Auch in der Medizin sieht er Einsatzmöglichkeiten etwa bei der Zerstörung von Tumorzellen. Denn wenn sich Nanostrukturen gezielt erhitzen lassen, würde das umliegende Gewebe weniger stark belastet werden.
„Mein Projekt bestand darin, die hohe zeitliche Präzision der Schwingungszyklen von Licht zu kombinieren mit der hohen Raumauflösung des Elektronenmikroskops.“
Joel Kuttruff zu seiner Doktorarbeit
Vom Computer in die Praxis
Trotz zahlreicher Vorüberlegungen und Modellierungen existierte bisher keine etablierte Technologie, um solche extremen Raum-Zeit-Bereiche zu vermessen. Um das zu ermöglichen, wurde ein Messaufbau entwickelt, der die Funktionen von Elektronenmikroskop und Lasertechnologie kombiniert. „Aufgrund von Impuls und Energieerhaltung interagieren Licht und Elektronen im freien Raum nur schwach miteinander“, sagt Kuttruff. Die Herausforderung habe darin bestanden, „diese Interaktion möglichst effizient umzusetzen“. Dies wurde möglich durch speziell konstruierte Interaktionelemente, die den fehlenden Impuls in der Interaktion bereitstellen.
In Zusammenarbeit mit mehreren internationalen Firmen wurde schließlich ein Prototyp produziert. „Eine echte Teamleistung“, sagt Kuttruff, „es sind sehr viele verschiedene Aufgaben angefallen.“ Auf physikalischer Seite musste die Funktion simuliert oder modelliert werden, aber es war auch ingenieurstechnisches Know-how notwendig zur konkreten Umsetzung.
Kuttruff und das Team konnten mit ihrer neuen Messmethode bereits elektromagnetische Felder untersuchen. Schon jetzt werden zwar Eingriffe in Schwingungen im Nanobereich innovativ genutzt – ob für flache Linsen, Bauteile für die Quantenoptik oder um das Licht auf Solarzellen stärker zu konzentrieren. Allerdings ließen sich die dahinterstehenden Vorgänge nicht präzise messen, was nun möglich wird.
Wie reagieren winzige Nanostrukturen auf Licht? Die Messungen zeigen die Dynamik elektromagnetischer Felder in Raum und Zeit.
Durch die Wechselwirkung von Laserlicht und einer dünnen Membran können Elektronen gezielt
beschleunigt oder abgebremst werden. So entstehen Attosekunden-Elektronenpulse – die Grundlage für
Messungen im Attosekundenbereich.
Erfolgreicher Lebensweg
Joel Kuttruff, 1996 in Tettnang geboren, hat an der Universität Konstanz Physik studiert und hier seine Doktorarbeit in Physik mit summa cum laude abgeschlossen. Derzeit hat er eine Postdoc-Stelle inne. Schon als Student fiel Kuttruff auf und erhielt 2020 den VEUK-Preis für herausragende Leistungen im Studium, eine akademische Auszeichnung an der Universität Konstanz.
2024 wurde Joel Kuttruff außerdem mit dem Helmholtz-Preis geehrt, einer der renommiertesten Auszeichnungen für Messungen im wissenschaftlichen Bereich. Seine Doktorarbeit „Optical Spectroscopy and Electron Microscopy of Nanophotonic Dynamics“ ist im vergangenen Jahr bereits mit dem Promotionspreis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft gewürdigt worden.
Dass er nun noch den Nachwuchspreis der Gips-Schüle-Stiftung erhält, bestärkt den jungen Physiker darin, dass „auch die Grundlagenforschung, wie wir sie machen, begeistern kann“. Er ist überzeugt, dass der Nachwuchspreis für herausragende Doktorarbeiten aus Baden-Württemberg „der Forschung, die wir machen, eine gewisse Signifikanz und Sichtbarkeit geben wird“.
„Joel Kuttruff macht bisher Unsichtbares sichtbar. Damit wird es möglich, selbst die Bewegungen von Elektronen zu vermessen. Sein Verfahren trägt dazu bei, Vorgänge in atomaren Dimensionen zu verstehen und die Grenzen der Miniaturisierung technisch zu beherrschen.“
Engelbert Westkämper, Jurymitglied
3 Fragen an Joel Kuttruff …
Wie stehen die Chancen, dass Ihre Forschung in der Praxis ankommt?
Es ist nicht ganz so einfach, weil man das nicht in großer Stückzahl wird produzieren können. Allein die Anschaffung des Elektronenmikroskops und der Zusatzteile wird einige Millionen Euro kosten, was sich nicht jede Firma leisten kann. Aber ich persönlich habe ohnehin mehr Spaß daran, neue Konzepte und Prototypen zu entwickeln, Messungen zu machen und zu zeigen, dass sie funktionieren. Aber ich habe kein Problem, die ingenieurtechnischen Arbeiten und die weiteren Schritte zur Kommerzialisierung anderen zu überlassen.
Sie sehen sich also in der Forschung?
Ja, es war für mich von Anfang an absolut klar, dass ich in der Forschung bleiben will, weil ich eine große Begeisterung habe, Dinge zu entdecken, die vorher noch niemand gesehen hat. Das ist, was mich motiviert. Auch die Promotion war natürlich viel Arbeit und eine emotionale Achterbahnfahrt, wenn man versuchen musste, einen kühlen Kopf zu bewahren, selbst wenn es im Labor Probleme gab. Aber es ist auch cool, wenn man sich sehr mit seinem Thema identifiziert, was ich getan habe.
Was sind Ihre nächsten Schritte?
Aktuell geht es darum, selbst eigene Gelder einzuwerben und eine eigenständige Gruppe gründen zu können. Außerdem werde ich mich auf Professuren bewerben. Vor allem interessiere ich mich für neue Methoden und will mich auf Dinge an der Grenze des Möglichen fokussieren. Konkret will ich den Fokus dabei stärker auf Quantenoptik legen, wo großes Innovationspotenzial für neue Technologieentwicklung steckt. Das ist ein noch junges Forschungsfeld, in das ich mich gern einarbeiten möchte.
Blick in die Zukunft
Die Forschung, die Joel Kuttruff und seine Kolleginnen und Kollegen in Konstanz geleistet haben, „ist jetzt in den Kinderschuhen“, sagt er. „Wir haben gezeigt, dass es funktioniert, und die Hoffnung, dass andere Leute es aufgreifen.“ Die Chancen stehen gut. Andere Forschungsgruppen in Deutschland oder auch Israel haben bereits das Messprinzip der Konstanzer übernommen und weitere Experimente hierzu vorgenommen.
„Die konkreten Anwendungen werden sich aber erst in den nächsten zehn, zwanzig Jahren ergeben“, sagt Joel Kuttruff. „Es ist Grundlagenforschung, bei der die Anwendungen noch nicht so klar definiert sind. So ist das immer in der Technologieentwicklung.“
Anrege-Abfrage-Experimente
von nanostrukturierten
Quantenmaterialien.
Student Nicolas Bader.
