Attosekundenphysik

Zeptosekunden-Stoppuhr für den Mikrokosmos

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Nachdem ein Lichtteilchen ein Elektron aus einem Heliumatom entfernt hat, kann die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des verbliebenen Elektrons berechnet werden. Je heller die Bereiche im Bild dargestellt sind, desto wahrscheinlicher ist sein Aufenthaltsort rund um den hier nicht sichtbaren Atomkern.
Nachdem ein Lichtteilchen ein Elektron aus einem Heliumatom entfernt hat, kann die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des verbliebenen Elektrons berechnet werden. Je heller die Bereiche im Bild dargestellt sind, desto wahrscheinlicher ist sein Aufenthaltsort rund um den hier nicht sichtbaren Atomkern. (Bild: Schultze (MPQ) / Ossiander (LMU))

Laserphysiker der LMU München haben erstmals ein inneratomares Geschehen mit einer Genauigkeit von Billionsteln einer Milliardstel Sekunde aufgezeichnet.

Wenn Licht auf Elektronen in Atomen trifft, verändert sich deren Zustand in unvorstellbar kurzen Zeiträumen. Laserphysiker der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben ein solches Phänomen, bei dem ein Elektron ein Heliumatom nach Lichtanregung verlässt, erstmals mit der Genauigkeit von Zeptosekunden gemessen. Eine Zeptosekunde ist ein Billionstel einer Milliardstel Sekunde (10-21 Sekunden). Das ist die höchste Genauigkeit der Zeitbestimmung eines Ereignisses im Mikrokosmos, die jemals erreicht wurde, und zudem die erste absolute Bestimmung des Zeitpunktes der Photoionisation.

Werden die beiden Elektronen eines Heliumatoms durch ein Lichtteilchen (Photon) angeregt, spielen sich die darauffolgenden Veränderungen nicht nur in ultrakurzen Zeiträumen ab, sondern es kommt auch die Quantenmechanik ins Spiel: Die gesamte Energie des Photons kann entweder von einem einzelnen Elektron aufgenommen werden oder sich auf beide Elektronen aufteilen. In beiden Fällen verlässt ein Elektron das Heliumatom.

Diesen Vorgang, den Albert Einstein Anfang des vergangenen Jahrhunderts entdeckte, nennt man Photoemission oder photoelektrischen Effekt. Um ihn zu beobachten, muss man sehr schnell sein: Von der Anregung bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Elektron das Atom verlässt, vergehen nur zwischen fünf und fünfzehn Attosekunden (1 as entspricht 10-18 Sekunden), wie die Münchner Forscher bereits vor einigen Jahren zeigen konnten.

Nun haben die Laserphysiker ihre Messmethode weiter verbessert und können den Vorgang bis auf 850 Zeptosekunden genau messen. Zur Anregung der Elektronen schickten sie einen Attosekunden-langen, extrem ultravioletten Lichtblitz auf ein Heliumatom. Gleichzeitig ließen sie einen zweiten infraroten Laserpuls auftreffen, der rund vier Femtosekunden dauerte (1fs entspricht 10-15 Sekunden). Sobald das Elektron durch die Anregung des ultravioletten Lichtblitzes das Atom verlassen hatte, wurde es vom infraroten Laserpuls erfasst. Je nachdem, wie das elektromagnetische Feld dieses Pulses zum Zeitpunkt der Erfassung beschaffen war, wurde das Elektron beschleunigt oder abgebremst.

Über diese Geschwindigkeitsveränderung konnten die Physiker die Photoemission mit Zeptosekunden-Genauigkeit erfassen. Zudem konnten sie erstmals bestimmen, wie sich die Energie des einfallenden Photons in den wenigen Attosekunden vor der Emission auf die beiden Elektronen des Heliumatoms quantenmechanisch verteilt hatte.

„Das Verständnis dieser Vorgänge im Heliumatom bietet uns für künftige Experimente eine enorm verlässliche Basis“, erklärt Dr. Martin Schultze vom Lehrstuhl für Experimentalphysik - Laserphysik der LMU, der die Experimente leitete. Die Physiker konnten die Präzision ihrer Experimente mit theoretischen Vorhersagen von Kollegen am Institut für Theoretische Physik der TU Wien korrelieren. Mit seinen zwei Elektronen ist Helium das einzige System, das sich vollständig quantenmechanisch berechnen lässt. Damit bietet es sich geradezu an, Theorie und Experiment zu verbinden.

„Wir können jetzt in dem verschränkten System aus Elektron und ionisiertem Helium-Mutteratom aus unseren Messungen die komplette wellenmechanische Beschreibung des Systems ableiten“, sagt Schultze.

Die Forscher haben Ihre Ergebnisse in der jüngsten Ausgabe des Fachjournals Nature Physics veröffentlicht.

Elektronen am Tempolimit

Petahertz-Elektronik

Elektronen am Tempolimit

29.08.16 - Elektronische Bauteile werden seit Jahren immer schneller und machen damit leistungsfähige Computer und andere Technologien möglich. Wie schnell sich Elektronen mit elektrischen Feldern letztendlich kontrollieren lassen, haben jetzt Forscher an der ETH Zürich untersucht. Ihre Erkenntnisse sind wichtig für die Petahertz-Elektronik der Zukunft. lesen

100.000 Mal schneller als die Elektronik von heute

Lichtwellenelektronik

100.000 Mal schneller als die Elektronik von heute

13.06.16 - Ein internationales Forscherteam hat die Wechselwirkung von Licht und Glas so optimiert, dass man sie für eine künftige, lichtwellengesteuerte Elektronik einsetzen könnte. lesen

Revolutionärer Teilchenbeschleuniger entwickelt

Kollisionsexperimente in Halbleitern

Revolutionärer Teilchenbeschleuniger entwickelt

17.05.16 - Unser Standardmodell der Elementarteilchen basiert auf Erkenntnissen, die mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern und Kollisionsexperimenten gesammelt wurden. Ein Forscherteam der Universitäten in Regensburg, Marburg und Santa Barbara (USA) hat nun einen neuen Beschleuniger für Teilchen in Festkörpern entwickelt. lesen

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Das kann man auch weniger dramatisch formulieren: ... auf 0,85 Attosekunden genau. Aber...  lesen
posted am 17.11.2016 um 08:30 von Unregistriert

Will ich sofort im Fahrzeug haben.  lesen
posted am 14.11.2016 um 15:54 von Unregistriert


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44373828 / LED & Optoelektronik)