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Attosekunden-Experiment

Was passiert mit einem freigesetzten Elektron?

| Redakteur: Marc Platthaus

Nachweis der Form einer elektronischen Wellenfunktion mit einer sechsfachen Symmetrie.
Nachweis der Form einer elektronischen Wellenfunktion mit einer sechsfachen Symmetrie. (Bild: NRC Ottawa)

Laser gehören in vielen physikalischen Experimenten zur Grundausstattung, so auch bei der Messung von atomaren Vorgängen. Mit einem so genannten Attosekunden-Experiment ist es jetzt Physikern der Waseda-Universität in Japan, des National Research Council in Kanada und des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin gelungen, die Wellenfunktion eines ionisierten Elektrons komplett zu messen und zu beschreiben.

Berlin – Eine Attosekunde ist ein Millardstel einer Millardstel Sekunde. Sie verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums. Attosekunden-Lichtimpulse ermöglichen es, die Zustände der Materie umfassend zu verändern. Elektronen werden durch die Laser-Blitze angeregt. Sie weisen dann ein höheres Energieniveau auf und nehmen eine neue Bahn, ein neues Orbital, ein. Verschiedene Orbitale – oder: verschiedene Zustände des Elektrons – können hierbei beschrieben werden. Hierzu werden Quantenzahlen für die Energie, den Bahndrehimpuls sowie den Eigendrehimpuls genutzt. Wenn die Energie, die von dem Attosekundenpuls auf das Atom übertragen wird, hoch genug ist, kann das Elektron sogar ionisieren. Dies bedeutet, dass es das Atom verlässt und wegfliegt, zum Beispiel zu einem Detektor.

Optimierte Laser als Grundlage

In dem Experiment gelang es den Wissenschaftlern, die Quantenzahlen eines freigesetzten Elektrons – oder auch: die Wellenfunktion eines freigesetzten Elektrons – komplett zu messen und mathematisch zu beschreiben. Daher spricht man auch von einem perfekten Attosekunden-Experiment.

„Die Attosekunden-Forschung ist noch sehr jung“, erklärt Prof. Dr. Marc Vrakking, Direktor am MBI und Mitautor der Publikation. „Erst durch die modernste Laser-Forschung haben wir die Möglichkeit, solche neuartigen Experimente mit ultrakurzen Lichtimpulsen durchzuführen und so umfassend die hierdurch verursachten Veränderungen in der Materie zu messen. Unsere Ergebnisse liefern einen wichtigen Beitrag für die Grundlagenforschung zur Quantenphysik.“

Elektronen sind Elementarteilchen, die Elektrizität erst möglich machen. Die Ionisation ist beispielsweise die Grundlage für Solarzellen. Das Sonnenlicht löst Elektronen aus dem Silizium heraus und setzt hierdurch einen Stromfluss in Gang. Im Experiment werden Laser-Blitze eingesetzt, um Elektronen freizusetzen und die hierdurch veränderten Materiezustände zu messen sowie zu beschreiben. Laser sind jedoch auch unverzichtbare Werkzeuge beim Speichern und Übertragen von Information, in der Messtechnik, in der medizinischen Diagnostik und in der modernen Fertigungstechnik vom Schiffs- und Flugzeugbau bis hin zum Computerchip.

Originalpublikation: Coherent imaging of an attosecond electron wave packet, D. M. Villeneuve, Paul Hockett, M. J. J. Vrakking, Hiromichi Niikura, Science. 2017, Vol. 356, Issue 6343, doi:

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