Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Choreografie eines Elektronenpaars

18.12.2014

Die Bewegung der beiden Elektronen im Heliumatom lässt sich mit zeitlich genau aufeinander abgestimmten Laserblitzen abbilden und steuern

Physiker verfeinern zusehends ihre Kontrolle über die Materie. Ein deutsch-spanisches Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg hat nun erstmals die Bewegung der beiden Elektronen eines Heliumatoms abgebildet und den elektronischen Paartanz sogar gesteuert.


Elektronischer Paartanz: Heidelberger Physiker haben eine pulsierende Bewegung des Elektronpaars in einem Heliumatom gefilmt. Bei 15,3 Femtosekunden (fs) befinden sich beide Elektronen dicht am Kern (Zentrum des Bildes) und entfernen sich dann von ihm. Die Farbe steht für die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron am Ort A (vertikale Achse) und das zweite Elektron am Ort B (horizontale Achse) auf einer Schnittlinie durch das Atom (entlang der Laserpolarisationsrichtung) zu finden. Bei 16,3 Femtosekunden erreichen sie wieder ihre Ausgangsposition; sie bewegen sich also im Takt von etwa einer Femtosekunde.

© MPI für Kernphysik

Gelungen ist dies den Wissenschaftlern mit unterschiedlichen Laserblitzen, die sie zeitlich sehr genau aufeinander abstimmten. Dabei verwendeten sie neben sichtbaren Lichtblitzen auch ultraviolette Pulse, die nur einige Hundert Attosekunden dauerten. Eine Attosekunde entspricht dem Milliardstel Teil einer Milliardstel Sekunde. Physiker möchten die Bewegung von Elektronenpaaren nicht zuletzt deshalb gezielt beeinflussen, weil sie damit die Chemie revolutionieren wollen: Wenn sie die gepaarten Bindungselektronen in Molekülen mit Laserpulsen verschieben könnten, würden sie möglicherweise Substanzen erzeugen, die sich mit den üblichen chemischen Mitteln nicht herstellen lassen.

Elektronen sind kaum zu fassen. Den genauen Ort, an dem sie sich in einem Atom befinden, können Physiker nicht feststellen. Immerhin können sie den Raum eingrenzen, in dem sich die Ladungsträger höchstwahrscheinlich aufhalten. Wenn Elektronen sich bewegen, verändern sich diese Bereiche ihrer größten Aufenthaltswahrscheinlichkeit. In manchen Zuständen der Elektronen – Physiker sprechen von Überlagerungszuständen – geschieht dies in einem Pulsieren mit regelmäßigem Takt.

Genau diese pulsierende Bewegung haben Wissenschaftler um Thomas Pfeifer, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik nun in der Bilderserie eines Heliumatoms festgehalten. Dabei verfolgten sie, wie das Elektronenpaar in einem Moment nahe um den Atomkern tanzt und sich im nächsten Augenblick etwas von ihm entfernt. Mit der bloßen Beobachterrolle begnügten sich die Forscher jedoch nicht, sondern griffen auch aktiv in die Choreografie der Elektronen ein. So gaben sie gewissermaßen den Rhythmus des elektronischen Paartanzes vor. „Die Bewegung einzelner Elektronen im Atom hat man bereits häufiger abgebildet und auch manipuliert“, sagt Christian Ott, Erstautor der Studie. „Wir haben dies nun für ein kurzzeitig gebundenes Elektronenpaar erreicht.“

Werden Elektronen verschoben, lassen sich molekulare Verbindungen knüpfen

Das Verhalten von zwei Elektronen in einer konzertierten Aktion zu analysieren und zu steuern, ist zum einen für Physiker hilfreich, die besser verstehen möchten, wie Atome und Moleküle mit Licht wechselwirken. Denn dabei mischen meist zwei oder mehr Elektronen mit. Zum anderen ist es für die Chemie nützlich, Elektronenpaare dirigieren zu können. Denn die typische chemische Bindung besteht aus genauso einem Elektronenpaar, sodass Chemiker fast immer mindestens zwei Elektronen bewegen müssen, wenn sie eine molekulare Verbindung knüpfen oder lösen möchten.

Um die Choreografie der Elektronen in einem Heliumatom zu filmen und zu steuern, schicken die Heidelberger Physiker zwei Laserpulse durch eine Zelle mit Heliumgas. Dabei kommt es nicht nur auf die Energie, also die Farbe der Blitze an, sondern auch auf deren Intensität und auf den Abstand zwischen ihnen. Mit einem ultravioletten Blitz befördern die Forscher die Elektronen des Heliums zunächst in den ultraschnell pulsierenden Zustand. Dies gelingt Ihnen aber nur, weil die Dauer dieses Blitzes kürzer ist als eine Femtosekunde (der Millionste Teil einer Milliardstel Sekunde). Denn solange benötigt das Elektronenpaar für einen Zyklus der pulsierenden Bewegung, in der sich das Paar erst näher am Kern befindet, sich dann davon entfernt und wieder zum Kern zurückkehrt.

Mithilfe eines schwachen sichtbaren Laserpulses ermitteln sie dann, wo die Elektronen gerade tanzen. Und indem sie den Abstand zwischen dem ultravioletten Attosekunden-Puls und dem sichtbaren Puls variieren, drehen sie gewissermaßen einen Film des Elektronentanzes. „Dabei bilden wir zwar nicht direkt ab, wo sich die Elektronen aufhalten“, erklärt Thomas Pfeifer. „Der sichtbare Puls liefert uns aber die relative Phase des Überlagerungszustandes.“ Die Phase beschreibt das Auf und Ab einer Schwingung, und damit also die rhythmische Bewegung des Elektronenpaares. Hier gibt sie Physikern Auskunft darüber, an welcher Stelle ihres natürlichen Partnertanzes um das Heliumatom sich die Elektronen gerade befinden.

Um die Tanzfiguren zu ermitteln, nutzt das Heidelberger Team Erkenntnisse früherer Arbeiten. Damit bestimmten sie, wo sich die Elektronen aufhalten, wenn sie sich nicht bewegen. „Mit der hier gemessenen Information über die Phase und mit dem vorhandenen Vorwissen rekonstruieren wir, wo sich die Elektronen befinden“, so Pfeifer. Dabei helfen ihm und seinen Mitarbeitern theoretische Modelle, mit denen sie auch den Elektronentanz und die Wirkung der Laserpulse simulieren.

Intensive sichtbare Laserpulse ändern den Rhythmus des Elektronentanzes

Simulationen brauchen die Heidelberger Physiker auch, um den zweiten Teil ihrer Experimente zu interpretieren. Dabei dient ihnen der sichtbare Laserpuls nicht mehr nur als Kamera, sondern als Steuerhilfe für die pulsierende Elektronenbewegung. Wenn sie nämlich die Intensität des Blitzes erhöhen, verschieben sich die Zeitpunkte, zu denen sich die Elektronen nahe am Atomkern beziehungsweise weiter weg davon aufhalten. Wie sich der Rhythmus und damit die Choreographie des Elektronentanzes ändert, halten die Forscher ebenfalls in einer Bildsequenz fest.

Bisher können Thomas Pfeifer und seine Kollegen noch nicht alle Details erklären, die sie in den Experimenten mit intensiven Laserblitzen beobachten. Das wollen sie nun mit umfassenderen Untersuchungen, wie diese Pulse wirken, ändern. In künftigen Experimenten möchten Sie zudem das weitere Schicksal des Elektronenpaares genau verfolgen. Der Elektronentanz im Überlagerungszustand endet nämlich damit, dass einer der beiden Partner aus dem Atom geschleudert wird und das Atom folglich ionisiert wird. Solche Ionisationen spielen ebenfalls bei vielen chemischen Reaktionen eine Rolle. Solche wilden Tänze zweier Elektronen besser zu verstehen, könnte Chemikern also Erkenntnisse bringen, wie sich eine Reaktion in eine gewünschte Richtung lenken lässt. Spätestens dann dürfte die Attosekunden-Physik auch zu einem Werkzeug der Chemie werden.

Ansprechpartner

Dr. Thomas Pfeifer

Telefon:+49 6221 516-380Fax:+49 6221 516-802

Originalpublikation

 
Christian Ott, Andreas Kaldun, Luca Argenti, Philipp Raith, Kristina Meyer, Martin Laux, Yizhu Zhang, Alexander Blättermann, Steffen Hagstotz, Thomas Ding, Robert Heck, Javier Madroñero, Fernando Martín and Thomas Pfeifer
Reconstruction and control of a time-dependent two-electron wave packet

Dr. Thomas Pfeifer | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/8808649/elektronen-bewegung-attosekunde

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenmechanik ist komplex genug – vorerst …
21.04.2017 | Universität Wien

nachricht Tief im Inneren von M87
20.04.2017 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten