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 Heimcomputer entdecken rekordverdächtiges Pulsar-Neutronenstern-System
08.12.2016 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst
08.12.2016 | Technische Universität Dresden

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: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Sensortechnik für E-Auto-Batterien

08.12.2016 | Energie und Elektrotechnik

Entlastung im Güterfernverkehr

08.12.2016 | Verkehr Logistik

Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

08.12.2016 | Physik Astronomie