Wechselwirkung von Licht und Materie – Ein perfektes Attosekunden-Experiment

Neuartige Experimente, die ultraschnelle Licht-Blitze einsetzen, revolutionieren derzeit die Laserforschung in der Physik. Sie liefern beispiellose Einblicke in die Materie – in die Struktur und Dynamik von Elektronen in Atomen, Molekülen und in kondensierten Phasen.

Mit einem sogenannten Attosekunden-Experiment ist es jetzt Physikern der Waseda-Universität in Japan, des National Research Council in Kanada und des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin gelungen, die Wellenfunktion eines ionisierten Elektrons komplett zu messen und zu beschreiben. Dieser Grad an Perfektion, den das Experiment erreicht, ist in diesem Forschungsbereich bislang einmalig. Die Ergebnisse sind jetzt in „Science“ erschienen.

Eine Attosekunde ist ein Millardstel einer Millardstel Sekunde. Sie verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums. Attosekunden-Lichtimpulse ermöglichen es, die Zustände der Materie umfassend zu verändern. Elektronen werden durch die Laser-Blitze angeregt. Sie weisen dann ein höheres Energieniveau auf und nehmen eine neue Bahn, ein neues Orbital, ein.

Verschiedene Orbitale – oder: verschiedene Zustände des Elektrons – können hierbei beschrieben werden. Hierzu werden Quantenzahlen für die Energie, den Bahndrehimpuls sowie den Eigendrehimpuls genutzt. Wenn die Energie, die von dem Attosekundenpuls auf das Atom übertragen wird, hoch genug ist, kann das Elektron sogar ionisieren. Dies bedeutet, dass es das Atom verlässt und wegfliegt, zum Beispiel zu einem Detektor.

In dem Experiment gelang es den Wissenschaftlern, die Quantenzahlen eines freigesetzten Elektrons – oder auch: die Wellenfunktion eines freigesetzten Elektrons – komplett zu messen und mathematisch zu beschreiben. Daher spricht man auch von einem perfekten Attosekunden-Experiment.

„Die Attosekunden-Forschung ist noch sehr jung“, erklärt Prof. Dr. Marc Vrakking, Direktor am MBI und Mitautor der Publikation. „Erst durch die modernste Laser-Forschung haben wir die Möglichkeit, solche neuartigen Experimente mit ultrakurzen Lichtimpulsen durchzuführen und so umfassend die hierdurch verursachten Veränderungen in der Materie zu messen. Unsere Ergebnisse liefern einen wichtigen Beitrag für die Grundlagenforschung zur Quantenphysik.“

Elektronen sind Elementarteilchen, die Elektrizität erst möglich machen. Die Ionisation ist beispielsweise die Grundlage für Solarzellen. Das Sonnenlicht löst Elektronen aus dem Silizium heraus und setzt hierdurch einen Stromfluss in Gang. Im Experiment werden Laser-Blitze eingesetzt, um Elektronen freizusetzen und die hierdurch veränderten Materiezustände zu messen sowie zu beschreiben. Laser sind jedoch auch unverzichtbare Werkzeuge beim Speichern und Übertragen von Information, in der Messtechnik, in der medizinischen Diagnostik und in der modernen Fertigungstechnik vom Schiffs- und Flugzeugbau bis hin zum Computerchip.

Publikation:
Coherent imaging of an attosecond electron wave packet
D. M. Villeneuve, Paul Hockett, M. J. J. Vrakking, Hiromichi Niikura
Science. 2017, Vol. 356, Issue 6343, doi: http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aam8393 (Link freigeschaltet nach Sperrfrist)

Bildmaterial sowie eine Zusammenfassung der Forschungsergebnisse (in Englisch) finden Sie im Anhang.

Bildunterschrift (18-1115_AttoSecPressR_NRC Ottawa to be credited.jpg): Künstlerdarstellung eines Experiments: Die Sequenz von zwei Laserfeldern interagiert mit den Elektronen, die in einem Atom zirkulieren. Das Ergebnis ist der Nachweis der Form einer elektronischen Wellenfunktion mit einer sechsfachen Symmetrie. Quelle: NRC Ottawa

Kontakt:
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Prof. Dr. Marc Vrakking
Tel. 030 / 6392-1200
E-Mail marc.vrakking@mbi-berlin.de

http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aam8393