Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein atomarer Schalter

23.09.2009
Erstmals haben Forscher des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik am Freie-Elektronen-Laser FLASH (Forschungszentrum DESY) in Hamburg eine Art Schalter für einen korrelierten atomaren Prozess realisiert.

Die Wahrscheinlichkeit, mit der Doppelionisation von Lithiumatomen bei Bestrahlung mit UV-Licht auftritt, konnte durch gezielte Manipulation eines der beteiligten atomaren Elektronenorbitale kontrolliert werden. Dabei wurde lediglich die räumliche Ausrichtung des Orbitals verändert.

Wie komplexe Systeme aus dem Zusammenspiel einfacher Bestandteile entstehen, gehört zu den fundamentalen Fragestellungen der Physik. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die gegenseitige Beeinflussung der Teilchen, Korrelation genannt, die letztendlich dazu führt, dass das Ganze mehr ist als die einfache Summe seiner Teile. Schon das Dreikörperproblem zeigt die dabei auftretenden mathematischen Schwierigkeiten auf. Ein Ziel der modernen Atomphysik ist es, Mehrteilchenprozesse nicht nur besser zu verstehen, sondern auch kontrolliert zu manipulieren. Dies ist Forschern der Gruppe um Alexander Dorn am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik am Beispiel der Doppelionisation von Lithium durch Ultraviolett-Photonen gelungen, indem sie die räumliche Struktur des Atoms gezielt präparierten.

Ermöglicht wurden die Messungen durch eine bisher einmalige Kombination von drei hochmodernen Techniken: Die Photonen einer Energie von 85 eV, welche die Reaktion auslösen, lieferte der neue Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH, Forschungszentrum DESY). Diese treffen auf ultrakalte Lithiumatome, die in einer magneto-optischen Falle auf sehr tiefe Temperaturen (0,1 Grad über dem absoluten Nullpunkt) gekühlt, durch Laser-Lichtkräfte gefangen gehalten werden. Dort lassen sie sich durch weitere Laser speziell präparieren. Schließlich befindet sich diese Falle in einem sogenannten Reaktionsmikroskop, welches den simultanen und sehr effizienten Nachweis im Prinzip aller Reaktionsprodukte, der Elektronen und des Ions mit hoher Auflösung erlaubt.

Abbildung 1 zeigt als Beispiel die beobachtete Geschwindigkeitsverteilung des Elektrons nach Einfachionisation von Lithium durch UV-Photonen: Die verschiedenen ringförmigen Muster korrespondieren zur Ionisation aus der äußersten 2s-Schale (a), aus der 1s-Schale (b) sowie aus der 1s-Schale bei gleichzeitiger Anregung eines der verbliebenen Elektronen auf die 2p-Schale (c). Grundlage ist der von Einstein 1905 erstmals richtig gedeutete Photoeffekt, wo die gesamte Energie eines einzelnen Lichtquants (Photons) zunächst auf genau ein Elektron übertragen wird. Dieses kann aber einen Teil seiner Energie durch die gegenseitige elektrische Abstoßung (angedeutet durch die gestrichelte schräge Linie) auf ein weiteres Elektron übertragen und dieses wie im Fall (c) in einen gebundenen Zustand anregen - ein korrelierter Prozess. Auf genau die gleiche Weise kann dieses Elektron aber auch soviel Energie erhalten, dass es ebenfalls das Atom verlässt, also Doppelionisation auftritt.

Alexander Dorn und seine Kollegen haben nun das 2s-Elektron mit einem optischen Laser in ein 2p-Orbital angeregt, wobei dessen räumliche Ausrichtung gezielt präpariert werden kann (rote Keulen in Abbildung 2a). Im zweiten Schritt wurde dann durch Bestrahlung mit polarisierten UV-Laserpulsen ein Elektron aus der 1s-Schale freigesetzt. Wie schon aus der Messung für Einfachionisation (Abbildung 1) ersichtlich, wird das Elektron bevorzugt in Richtung des elektrischen Laserfeldes (E) emittiert (blaue Keulen in Abbildung 2a). Die Forscher haben nun die Wahl, das präparierte 2p-Orbital parallel oder senkrecht zum Laserfeld auszurichten, was die Wahrscheinlichkeit für Doppelionisation stark beeinflusst - bei paralleler Ausrichtung ist sie erhöht, im anderen Fall deutlich unterdrückt.

Dieser Effekt tritt ausschließlich bei sehr niedrigen Energien der emittierten Elektronen, das heißt nahe der energetischen Schwelle zur Doppelionisation auf; bei höheren Energien verschwindet er. Direkt an der Schwelle sind die beiden Elektronen vollständig korreliert, sie müssen ihre Energie und Winkel exakt abstimmen, um beide aus dem Potentialtopf des Ions zu entrinnen: am liebsten entkommen sie in exakt gegenüberliegenden Richtungen - was bei paralleler Ausrichtung bevorzugt funktioniert.

Dieses Pilotexperiment demonstriert, dass die korrelierte Zustandsänderung von mehreren Elektronen in gebundenen Systemen, hier bei der Doppelionisation von Atomen, mittels Laserpräparation vollständig kontrolliert und, bei geeignet gewählten Bedingungen, praktisch an- und abgeschaltet werden kann. Durch diese neuentwickelte Methode können nicht nur weitreichende Erkenntnisse über quantendynamische Elektronenkorrelation in atomaren Systemen gewonnen werden, sondern die Forscher erhoffen sich Rückschlüsse auf solche korrelierten Effekte in anderen Quantensystemen.

Kontakt:

PD Dr. Alexander Dorn
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1
69117 Heidelberg
Tel: (+49)6221/516-513
Fax: (+49)6221/516-604
E-Mail: alexander.dorn@mpi-hd.mpg.de
Prof. Dr. Joachim Ullrich
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1
69117 Heidelberg
Tel: (+49)6221/516-696
Fax: (+49)6221/516-604
E-Mail: joachim.ullrich@mpi-hd.mpg.de

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.103008
http://www.mpi-hd.mpg.de/ullrich/
http://www.cfel.mpg.de/page.php?id=38

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt
17.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Vorhersagen bestätigt: Schwere Elemente bei Neutronensternverschmelzungen nachgewiesen
17.10.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mobilität 4.0: Konferenz an der Jacobs University

18.10.2017 | Veranstaltungen

Smart MES 2017: die Fertigung der Zukunft

18.10.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

18.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Biokunststoffe könnten auch in Traktoren die Richtung angeben

18.10.2017 | Messenachrichten

»ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern

18.10.2017 | Energie und Elektrotechnik