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 Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Beschichtung lässt Muscheln abrutschen

18.08.2017 | Materialwissenschaften

Fettleber produziert Eiweiße, die andere Organe schädigen können

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

18.08.2017 | Geowissenschaften