Elektronen im Verzug

Anders als bislang angenommen werden Elektronen bei der Fotoemission verzögert aus einem Atom katapultiert

29.06.2010 - Deutschland

Wenn Physiker neue Halbleiter für Chips oder Laser suchen, können sie sich auf ausgeklügelte Computerprogramme verlassen - bis jetzt. Doch möglicherweise vereinfachen die Modelle, mit denen diese Programme die elektronischen Eigenschaften eines Materials vorhersagen, die Wirklichkeit zu sehr. Das hat ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik nun in Messungen mit extrem kurzen Laserpulsen festgestellt. Daraus schließen die Physiker, dass Elektronen, die ein Laserpuls aus einem Atom herausschlägt, mit einer Verzögerung von einigen zig Attosekunden aus dem Teilchen katapultiert werden. Eine Attosekunde entspricht dem Milliardstel Teil einer Milliardstel Sekunde. Bislang galt, dass Elektronen bei der Fotoemission sofort davon schießen, sobald der Lichtpuls auf das Material trifft. Von einem solchen Verhalten der Elektronen gehen auch die Modelle aus, mit denen Quantenphysiker die elektronischen Eigenschaften der Materie beschreiben. Zumindest wenn es um sehr genaue Vorhersagen geht, könnten diese Modelle daher zu unpräzise sein.

Über Dinge, die sie nicht nachprüfen können, zerbrechen sich Physiker selten den Kopf. Das galt seit der Entdeckung der Fotoemission vor gut 100 Jahren auch für die Frage, wie schnell ein Lichtstrahl ein Elektron aus einem Atom herausschleudert. Denn es war klar, dass der Prozess allemal viel kürzer dauern würde, als selbst die genaueste Methode messen konnte. Daher nahmen die Physiker kurzerhand an, die Fotoemission erfolge instantan. Einen Verzug zwischen dem Eintreffen des Lichts und dem Entweichen des Elektrons gebe es nicht. "Damit hat man die Wirklichkeit zu sehr vereinfacht", sagt Martin Schultze, einer der Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, die die Lehrmeinung gemeinsam mit Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Technischen Universität München sowie Partnern aus Griechenland, Österreich und Saudi Arabien widerlegt haben: "Wir haben festgestellt, dass es eine Verzögerung bei der Fotoemission gibt." Ganz so, wie selbst der beste Sprinter nicht exakt mit dem Schuss aus dem Startblock saust.

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Bevor ein Elektron aus dem Atom davon fliegt, vergehen demnach einige zehn Attosekunden. Das sind zwar nur einige Milliardstel Bruchteile einer Milliardstel Sekunde. Doch auch dieser winzige Moment reicht, um an der Theorie zu rütteln, die Physiker über das elektronische Geschehen im Atom aufgestellt haben. "Unsere Ergebnisse geben einen weiteren wichtigen Einblick in die Wechselwirkungen von Elektronen in Atomen", sagt Ferenc Krausz, in dessen Abteilung am Max-Planck-Institut für Quantenoptik die Experimente vorgenommen wurden.

Wenn ein Elektron aus einem Atom herausgelöst wird, ist das keine Sache, die ein Elektron alleine mit dem Lichtpuls ausmacht. Solch ein Ereignis betrifft immer alle Elektronen eines Atoms. Ohne vereinfachende Annahmen können aber sogar die leistungsfähigsten Rechner die gemeinsame Bewegung nicht simulieren. Daher schätzen sie den Einfluss der Elektronen, die bei der Fotoemission nicht selbst aus dem Atom geschleudert werden, mit einem Mittelwert ab.

Nun haben Forscher des Teams zum ersten Mal ausprobiert, ob sie die bekannten Modelle so mit Ausgangswerten füttern können, dass die Simulationen einen verzögerten Elektronenstart wiedergeben. Und tatsächlich: Wenn die etablierten Modellen entsprechend getrimmt werden, berechnen auch sie die Verzögerung, veranschlagen sie aber bei einem Wert, der nur bei einem Fünftel des gemessenen Verzugs liegt. "Offenbar machen sie dabei aber einen systematischen Fehler", sagt Martin Schultze.

Nun können Theoretiker die Modelle so verfeinern, dass sie den verzögerten Elektronenschuss wiedergeben und auch präzisere Aussagen zu anderen Aspekten des elektronischen Verhaltens erhalten. "Das dürfte vor allem dann von Bedeutung geht, wenn es um die elektronischen Transporteigenschaften eines Materials geht", sagt Martin Schultze. Etwa bei der Suche nach Halbleitern oder Materialien mit speziellen Eigenschaften für die Elektronik.

Zeitmessung mit einem trickreichen Experiment

Dass die Physiker nun einen genaueren Blick auf die Fotoemission werfen können, verdanken sie der Attosekundenspektroskopie: "Seit relativ kurzer Zeit können wir Prozesse beobachten, die nur einige Milliardstel Bruchteile einer Milliardstel Sekunde dauern", sagt Ferenc Krausz. Aber auch die extrem kurzen Laserblitze machen noch keine Stoppuhr, mit der sich die absolute Startzeit eines Elektrons nach dem Eintreffen eines Laserpulses messen ließe. "Stattdessen geben unsere Experimente einen sehr zuverlässigen Anhaltspunkt, um auf die Verzögerung zu schließen und ihre Dauer abzuschätzen", erklärt Martin Schultze.

Er und seine Kollegen haben den Zeitunterschied gemessen, mit dem Elektronen aus verschiedenen Orbitalen starten. Ein Orbital beschreibt den Raum, in dem sich ein Elektron aufhält, und bestimmt auch die Reaktion eines Elektrons auf den Laserbeschuss. Und wie verschiedene Sprinter unterschiedlich gut starten, fliegen auch die Elektronen aus verschiedenen Orbitalen nicht mit demselben Verzug davon. Die Differenz zwischen ihren Startzeiten ermitteln die Physiker mit einem raffinierten Kniff.

Als Versuchsobjekt bedienen sie sich dabei einer Wolke des Edelgases Neon und nehmen Elektronen aus zwei Orbitalen in den Blick. Auf die Atome jagen sie nun den Puls von sehr energiereichem ultraviolettem Licht, der gerade einmal für einige zehn Attosekunden aufblitzt und verschiedene Elektronen aus den Edelgasteilchen herausschlägt. Darüber hinaus strahlen sie auf die Atome aber auch noch einen infraroten Laserpuls, der etwa 40-mal länger dauert als der ultraviolette Blitz. Beide Pulse synchronisieren sie so, dass der kürzere ultraviolette immer dann auf die Atome trifft, wenn sich dort auch die längere infrarote Laserwelle aufhält.

Startschuss für das Elektronenrennen

Sobald ein Elektron nun das Atom verlässt, spürt es das schwingende elektromagnetische Feld des infraroten Pulses. Je nachdem, ob das Elektron bei seinem Austritt aus dem Atom in ein Tal der infraroten Laserwelle fällt oder auf einen Berg trifft, wird es ein wenig beschleunigt oder abgebremst. In welche Richtung der Schubs geht, hängt zum einen davon ab, wie die Lichtwellen der beiden Pulse zusammenfallen, wenn sie auf das Atom treffen. Das können die Forscher sehr genau steuern. Es hängt zum anderen aber davon ab, wie stark sich der Start eines Elektrons verzögert, also auch von dem Orbital, aus dem es stammt. Indem die Forscher nun die Position des kurzen ultravioletten Pulses im längeren Infraroten variieren, erhalten sie ein Bild, wann verschiedene Elektronen beschleunigt beziehungsweise abgebremst werden. Daraus ergibt sich unmittelbar, wie sich die Startzeiten aus Elektronen unterschiedlicher Orbitale unterscheiden.

Im Fall der Elektronen, die das Physikerteam fokussierte, ergibt sich eine Differenz von etwa 20 Attosekunden. "Um jedoch ihren absoluten Wert zu messen, bräuchten wir ein Atom, in dem die Elektronen aus einem Orbital ohne Verzögerung starten", sagt Martin Schultze. Das unverzögerte Elektron gäbe dann den Startschuss für das Elektronenrennen und würde eine Stoppuhr für die verzögerten Startzeiten der anderen Elektronen ermöglichen.

Originalveröffentlichung: M. Schultze, M. Fieß, N. Karpowicz, J. Gagnon, M. Korbman, M. Hofstetter, S. Neppl, A. L. Cavalieri, Y. Komninos, Th. Mercouris, C. A. Nicolaides, R. Pazourek, S. Nagele, J. Feist, J. Burgdörfer, A. M. Azzeer, R. Ernstorfer, R. Kienberger, U. Kleineberg, E. Goulielmakis, F. Krausz & V. S. Yakovlev; "Delay in Photoemission"; Science, 25. Juni 2010

https://www.chemie.de/news/119399/elektronen-im-verzug.html