Preisträger 2025

Der diesjährige Jan-Peter-Toennies Preis in Höhe von 1000 € wird an Herrn Dr. John Henri Gaida verliehen.

John Gaida hat in seiner Arbeit die quantenmechanische Interferenz von Elektronen genutzt, um Lichtfeldschwingungen in einer Nanostruktur sichtbar zu machen. Grundlage des Experiments ist ein in der Gruppe um Max-Planck-Direktor Claus Ropers entwickeltes Attosekunden-Elektronenmikroskop, das die Wechselwirkung von Materie und Licht im Nanokosmos erschließt.

Licht besteht aus unfassbar schnell schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern. Unsere Augen und digitalen Kameras nehmen jedoch lediglich die Helligkeit und Farbe des Lichts wahr, also die Amplitude und Frequenz der Welle. Für viele Phänomene in der Natur und Technik kommt es jedoch auf die Lichtausbreitung und Streuung auf der mikroskopischen Skala weit unterhalb der Wellenlänge an. Diese Vorgänge finden im Bereich von „Attosekunden“, das sind Milliardstel einer Milliardstel Sekunde, statt. Der Physik-Nobelpreis 2023 wurde unter anderem für Techniken der Attosekundenphysik verliehen. Mit diesen Techniken lässt sich untersuchen, wie im Wechsel von Wellenberg und Wellental die Ladungen in Atomen und Molekülen durch Licht in Schwingung versetzt werden.

Bisher mangelt es allerdings an Methoden, die diese Konzepte mit einer hohen räumlichen Auflösung verbinden, um Prozesse zusätzlich auf atomaren Längenskalen abzubilden. Während seiner Promotion ist es John Gaida nun gelungen, mit Hilfe von zwei technologisch neuartigen und physikalisch komplementären Ansätzen, optische Nahfelder phasenaufgelöst zu vermessen. Diese neuen Methoden nutzen quantenmechanische Effekte freier Elektronen aus, um genaue Filme der Lichtfelder an nanoskopischen Strukturen aufzunehmen.

Elektronen, die in einem Elektronenmikroskop durch ein Lichtfeld fliegen, werden abgelenkt und ändern ihre Geschwindigkeit. Aufgrund der Quantenmechanik besteht allerdings eine „Unschärfe“, ob das Elektron beschleunigt oder verzögert wird. So entsteht eine komplexe Überlagerung aus verschiedenen Geschwindigkeiten – ein Quantenzustand. John Gaida übertrug eine Technik aus der Elektronik und Laseroptik auf Elektronenstrahlen, um die in dem Quantenzustand gespeicherte Intensitäts- und Zeitinformation interferometrisch auszulesen. Durch die kontrollierte Mischung des Signals mit einer Referenz erzeugte er ein Interferenzmuster, das die Lichtschwingung kodiert. Diese Technik ermöglicht es, Quantenzustände auf der Nanometerskala zu bestimmen und eröffnet neben der Vermessung elektromagnetischer Felder einen Zugang zu vielfältigen ultraschnellen Prozessen im Nanokosmos.

Herr Gaida hat seine Dissertation in der Abteilung von Prof. Dr. Claus Ropers am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPI-NAT) und am IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen angefertigt.