Physiker haben erstmals beobachtet was in einem Atom an der Stelle passiert, an dem ein einzelnes Elektron herausgeschlagen wurde: Mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen gelang es ihnen, die pulsierende Verformung der Leerstelle einzufangen und abzubilden. Über ihren einzigartigen Echtzeit- Einblick in den Mikrokosmos berichten sie nun im Wissenschaftsmagazin „Nature“.
Da die Elementarteilchen den Gesetzen der Quantenmechanik folgen, lässt sich der Aufenthaltsort von Elektronen in einem Atom nicht genau bestimmen. Deswegen ergibt sich eine Art Wolke für die quantenmechanische Beschreibung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elementarteilchen. Klar ist nur, dass sie sich schnell bewegen, sie benötigen vermutlich nur wenige Attosekunden für einen Umlauf um den Atomkern. Was genau die Elementarteilchen im Dunstkreis der Atome jedoch anstellen, ist bis heute weitgehend unbekannt.
Laserpulse auf Krypton-Atome
Jetzt hat ein internationales Team vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) erstmals beobachtet, wie sich die Elektronenwolke zeitlich bewegt, wenn eines der Elektronen im Atom durch einen Lichtpuls herausgelöst wird. Bei ihren Experimenten ließen die Physiker Laserpulse aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums auf Krypton-Atome treffen. Die Lichtpulse mit einer Dauer von weniger als vier Femtosekunden schlugen aus den äußeren Schalen der Atome jeweils ein Elektron heraus. Durch den Verlust eines Elektrons wurden die Atome jeweils zu einem positiv geladenen Ion. An der Stelle, an der das Elektron das Atom verlassen hat entsteht ein positiv geladenes Loch.
Pulsieren der Leerstelle direkt beobachtet
Quantenmechanisch gesehen pulsiert dieser freie Platz nun im Atom weiter als sogenannte Quantenschwebung. Dieses Pulsieren konnten die Physiker nun mit einem zweiten Lichtpuls, der nur noch rund 150 Attosekunden dauerte und sich im Extremen ultravioletten Licht befand, direkt beobachten, quasi fotografieren. Es stellte sich heraus, dass sich die Position des Lochs im Ion, also der positiv geladenen Stelle, sich innerhalb von nur rund sechs Femtosekunden zyklisch zwischen einer langgestreckten keulenartigen und einer kompakten zusammengezogenen Form hin und her bewegt.
„Damit ist es uns zum ersten Mal gelungen, die Veränderung einer Ladungsverteilung in einem Atom direkt aufzuzeichnen“, erklärt Eleftherios Goulielmakis vom Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching.
Wichtige Erkenntnisse für Elektronik, aber auch Medizin
Die Erkenntnisse der Forscher helfen, die Dynamik von Elementarteilchen außerhalb des Atomkerns besser zu verstehen. Diese blitzschnelle Dynamik ist vor allem verantwortlich für den Ablauf biologischer und chemischer Prozesse. „Mit unseren Experimenten haben wir einen einzigartigen Echtzeit- Einblick in den Mikrokosmos erhalten“, erläutert Professor Ferenc Krausz, ebenfalls vom Max-Planck-Institut. Ein genaueres Wissen um diese Vorgänge könnte künftig auch zur besseren Kenntnis der mikroskopischen Ursachen der Entstehung schwerer Krankheiten führen. Ebenso dient das Verständnis der ultraschnellen Prozesse zur schrittweisen Beschleunigung der elektronischen Datenverarbeitung in Richtung der ultimativen Grenzen der Elektronik.
(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 05.08.2010 – NPO)
