Mo, 25. Juni 2018

Mit Laser-Hilfe

15.05.2012 12:11

Wiener Physiker beobachten 'Geburt' eines Elektrons

Physiker der Technischen Universität (TU) Wien haben in einem Experiment quasi die "Geburt" eines Elektrons beobachten können. Sie haben dazu mithilfe eines starken Laserstrahls einem Atom ein Elektron entrissen und diesen Vorgang mit einer Genauigkeit von weniger als zehn Attosekunden (zehn Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) beobachtet.

In dem Experiment wurde ein maßgeschneiderter Laserstrahl mit zwei verschiedenen Lichtwellenlängen auf Atome gerichtet. Beide Wellenlängen ergaben ein gemeinsames Laserfeld mit einer speziellen Form, erklärte Markus Kitzler (Bild 2) vom Institut für Photonik der TU Wien. Die Forscher konnten dabei verfolgen, wie das Atom mithilfe des Laserfelds ionisiert und ein freies Elektron geboren wurde, schreiben die Forscher, deren Arbeit in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht wurde.

Wann das geschieht, lässt sich nicht exakt definieren. Es gibt hier nicht einen konkreten Zeitpunkt, "wie in der Quantenmechanik üblich, kommt es hier zur Überlagerung verschiedener Vorgänge", so Kitzler. Das Elektron verlässt das Atom gewissermaßen zu verschiedenen Zeitpunkten - und diese Vorgänge kombinieren sich zu einem Gesamteffekt, ähnlich wie sich einzelne Wasserwellen zu einem Wellenmuster überlagern.

Messung war bisher unmöglich
Diese Interferenzen geben den Forschern aber auch Informationen über den Anfangszustand des Elektrons. Dabei handelt es sich zum Beispiel um die zeitliche Entwicklung der Quantenphase des Elektrons, also jenem Takt, in dem die Quanten-Wellen schwingen - Messungen, die bisher völlig unmöglich waren. Aus der Phase lässt sich etwa herauslesen, wie das Elektron während seiner "Geburt" - im vereinfachten Atommodell - von einer Schale auf die andere übergeht, dann vom Laserfeld noch ein paar Mal hin und her geschleudert und schließlich als freies Elektron vom Detektor nachgewiesen wird.

Die Wissenschaftler erhalten sogar – wenn auch mit entsprechender quantenmechanischer Unschärfe – Hinweise darauf, wie weit vom Atom entfernt das Elektron geboren wurde, also wo es zur Ionisation kam. "Messungen, die bisher überhaupt noch nie geglückt sind", so Kitzler.

Auf der Zeitskala von Attosekunden laufen viele atomare Prozesse ab - etwa die Umlaufsdauer eines Elektrons um den Atomkern. Eine Attosekunde entspricht 10 hoch minus 18 Sekunden und verhält sich zu einer Sekunde etwa wie diese zum Alter des Universums (14 Milliarden Jahre).

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