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 Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie