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Mit Laserstrahlen das elektronische „Tal des Todes“ überwinden?

Elektronen erstmals in Doppelzustand versetzt

| Autor / Redakteur: Anja Wirsing* / Christian Lüttmann

Schematische Darstellung des Kramers-Henneberger-Potenzials, das die Mischung aus Atompotenzial und starkem Laserfeld zeigt.
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Schematische Darstellung des Kramers-Henneberger-Potenzials, das die Mischung aus Atompotenzial und starkem Laserfeld zeigt. (Bild: UNIGE - Xavier Ravinet)

Forscher der Universität Genf und des Max-Born-Institut in Berlin haben erstmalig ein Elektron in einen Doppelzustand versetzt, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist. Damit bestätigen sie eine Hypothese aus den 1970er Jahren und stellen bisherige Vorstellungen von Ionisationsprozessen in Frage. Durch kontrollierte Laserpulse konnten die Forscher die Elektronenstruktur von Atomen gezielt beeinflussen und mit den neu erzeugten Zuständen zum Beispiel Laserlicht verstärken.

Genf/Schweiz, Berlin – Atome bestehen aus einem Atomkern sowie Elektronen, die an diesen gebunden sind und ihn umkreisen. Die Elektronen lassen sich auch aus ihrem Atom herauslösen, etwa durch das starke elektrische Feld eines Lasers, der die anziehende Kraft des Atomkerns überwindet. Vor einem halben Jahrhundert schon fragte sich der Theoretiker Walter Henneberg, ob es möglich sei, mit einem Laserpuls Elektronen so aus einem Atom freizusetzen, dass sie trotzdem noch in der Nähe ihres Atomkerns bleiben. Viele Wissenschaftler hielten dies für unmöglich.

Einer jahrzehntealten Hypothese auf der Spur

Seit den 1980er Jahren wurden viele Experimente durchgeführt, um die Hypothese des Theoretikers Henneberg zu bestätigen: Ein Elektron kann in einen Doppelzustand versetzt werden, in dem es weder völlig frei, noch fest an seinen Atomkern gebunden ist. Gefangen im Laserstrahl, wäre das Elektron dazu gezwungen, sich abwechselnd in Richtung Atomkern und wieder von ihm weg zu bewegen. Auf diese Weise würde es sowohl das elektrische Feld des Lasers als auch das des Atomkerns spüren.

Bei einem solchen Doppelzustand sollte es möglich sein, die Bewegung des Elektrons im Wechselspiel dieser beiden elektrischen Felder zu kontrollieren und damit Atome mit neuartiger Elektronenstruktur zu erzeugen, die sich mithilfe des Laserlichts einstellen lässt. Doch ist das wirklich machbar?

Wie man Atomen die Elektronen nimmt

Je stärker ein Laserstrahl ist, desto einfacher sollte es sein, damit Atome zu ionisieren – mit anderen Worten, ihnen mindestens ein Elektron aus dem anziehenden elektrischen Feld des Atomkerns zu entreißen und in die Umgebung freizusetzen. „Aber sobald die Elektronen frei sind, verlassen sie ihre Atome nicht einfach so wie ein Zug den Bahnhof, sie spüren immer noch das elektrische Feld des Lasers”, erklärt Jean-Pierre Wolf, Professor am Institut für Angewandte Physik an der Universität Genf. „Deshalb wollten wir wissen, ob es möglich wäre, die Elektronen nach ihrer Freisetzung im Laserstrahl gefangen zu halten und sie dazu zu bringen, sich weiterhin in der Nähe ihres Atomkerns aufzuhalten, so wie Walter Henneberg es vorgeschlagen hatte”, fügt er hinzu.

Gefangen im Laserstrahl

Wie lässt sich nun ein Elektron vom Kern entfernen und doch in dessen Nähe halten? Die einzige Möglichkeit hierzu besteht darin, die passende Form für den eingesetzten Laserpuls zu finden, der das Elektron zu absolut identischen Oszillationen, also Schwingungen, in Richtung Atomkern und wieder von ihm weg zwingt. Dadurch bleiben seine Energie und sein Zustand stabil.

„Das Elektron oszilliert natürlicherweise im Laserfeld, aber wenn die Stärke des Laserfelds sich ändert, verändert sich auch die Oszillation des Elektrons. Und das bringt das Elektron dazu, auch sein Energieniveau und damit seinen Zustand ständig zu wechseln und eventuell auch das Atom gänzlich zu verlassen. Das macht die Beobachtung solcher ungewöhnlichen Zustände so schwierig”, ergänzt Misha Ivanov, Professor für Theoretische Physik am MBI Berlin.

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