Forscher enträtseln Dynamik von Elektronenwolken

Analyse zeigt überraschendes Doppelverhalten

08.02.2017 - Deutschland

Ein amerikanisch-deutsches Forscherteam hat die ultraschnelle Dynamik von Elektronenwolken in Xenon-Atomen live untersucht. Mit Hilfe ultraschneller Attosekundentechnologie konnten die Wissenschaftler um Stephen R. Leone von der Universität von Kalifornien in Berkeley das Verhalten der Elektronen im elektrischen Feld eines intensiven Laserpulses in Echtzeit messen. Die quantenmechanischen Berechnungen des Teams von DESY-Forscher Robin Santra vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) lieferte die korrekte Interpretation der Messungen.

Atome bestehen aus einem elektrisch positiv geladenen Kern, der von elektrisch negativ geladenen Elektronen umkreist wird. Die Elektronen bilden quantenphysikalisch betrachtet eine unscharfe Wolke. Die Physiker schickten den hellen Blitz eines Infrarotlasers in eine mit Xenonatomen gefüllte Kammer und zeichneten mit einer extrem schnellen UV-Kamera die Reaktion der Xenon-Elektronen auf.

„In dem Lichtpuls oszilliert das elektrische Feld mit einer Periode von einigen wenigen Femtosekunden“, erläutert Santra, der Leitender Wissenschaftler bei DESY und Physikprofessor an der Universität Hamburg ist. „Durch noch schnellere Attosekundentechnik gelang es, das Verhalten der Elektronenwolke während der Oszillationen zu verfolgen.“

Elektronen als elektrisch geladene Teilchen werden von elektrischen Feldern nicht nur räumlich verschoben, sie können die Energie des Feldes auch absorbieren und so in einen energetisch höheren Zustand gelangen. Absorbieren sie genug Energie, können sie ihr Atom sogar verlassen. Physiker nennen diesen Vorgang Ionisierung. Normalerweise muss die Energie des eingestrahlten Lichts eine charakteristische Schwelle überschreiten, um ein Atom zu ionisieren. Wo diese Schwelle liegt, hängt von der Atomsorte ab. In der Quantenphysik gibt es jedoch einen sogenannten Tunneleffekt, durch den beispielsweise Elektronen durch eine Energiebarriere hindurchtunneln können. So kann eine Ionisation selbst bei einer eigentlich zu niedrigen Energie geschehen.

Genau diesen Effekt erwarteten die Wissenschaftler bei ihren Untersuchungen am Xenon. „In dem Versuch gab es jedoch eine Überraschung: Obwohl zu erwarten war, dass die Xenon-Atome durch den Tunneleffekt ionisiert würden, zeigt die quantenmechanische Berechnung, dass tatsächlich nur ein Teil des sogenannten Wellenpakets, mit dem die Elektronen in der Quantenmechanik beschrieben werden, tatsächlich ionisiert wird“, erläutert Santra. „Ein anderer Teil wird durch das oszillierende elektrische Feld des Lasers verzerrt und schnappt immer wieder in seinen Grundzustand zurück, wenn das oszillierende Feld gerade durch den Nullpunkt geht. Das kann man sich vorstellen wie eine Feder, die periodisch gespannt und wieder entspannt wird.“

Dieses zweigeteilte Verhalten zwischen irreversibler Ionisierung und reversibler Polarisierung der Elektronenwolke ließ sich durch die quantenmechanischen Berechnungen identifizieren. „Naiverweise würde man denken, bei schwachen Feldern liegt der rein reversible Prozess vor, und bei sehr starken Feldern der rein irreversible“, schildert Santra. „Wie wir gezeigt haben, existiert diese Trennung jedoch nicht.“

Originalveröffentlichung

Mazyar Sabbar, Henry Timmers, Yi-Jen Chen, Allison K. Pymer, Zhi-Heng Loh, Scott G. Sayres, Stefan Pabst, Robin Santra, Stephen R. Leone; "State-resolved attosecond reversible and irreversible dynamics in strong optical fields"; Nature Physics; 2017

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