Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronen im Verzug

25.06.2010
Anders als bislang angenommen werden Elektronen bei der Fotoemission verzögert aus einem Atom katapultiert

Wenn Physiker neue Halbleiter für Chips oder Laser suchen, können sie sich auf ausgeklügelte Computerprogramme verlassen - bis jetzt. Doch möglicherweise vereinfachen die Modelle, mit denen diese Programme die elektronischen Eigenschaften eines Materials vorhersagen, die Wirklichkeit zu sehr. Das hat ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik nun in Messungen mit extrem kurzen Laserpulsen festgestellt. Daraus schließen die Physiker, dass Elektronen, die ein Laserpuls aus einem Atom herausschlägt, mit einer Verzögerung von einigen zig Attosekunden aus dem Teilchen katapultiert werden. Eine Attosekunde entspricht dem Milliardstel Teil einer Milliardstel Sekunde. Bislang galt, dass Elektronen bei der Fotoemission sofort davon schießen, sobald der Lichtpuls auf das Material trifft. Von einem solchen Verhalten der Elektronen gehen auch die Modelle aus, mit denen Quantenphysiker die elektronischen Eigenschaften der Materie beschreiben. Zumindest wenn es um sehr genaue Vorhersagen geht, könnten diese Modelle daher zu unpräzise sein. (Science, 25. Juni 2010)


Stoppuhr für eine elektronische Startverzögerung: Der innere blau dargestellte Attosekunden-Laserpuls schlägt bei der Fotoemission Elektronen aus Neon-Atomen heraus, mit dem roten Strahl wird die relative Startzeit von zwei unterschiedlichen Elektronen gemessen. Bild: Thorsten Naeser / MPI für Quantenoptik

Über Dinge, die sie nicht nachprüfen können, zerbrechen sich Physiker selten den Kopf. Das galt seit der Entdeckung der Fotoemission vor gut 100 Jahren auch für die Frage, wie schnell ein Lichtstrahl ein Elektron aus einem Atom herausschleudert. Denn es war klar, dass der Prozess allemal viel kürzer dauern würde, als selbst die genaueste Methode messen konnte. Daher nahmen die Physiker kurzerhand an, die Fotoemission erfolge instantan. Einen Verzug zwischen dem Eintreffen des Lichts und dem Entweichen des Elektrons gebe es nicht. "Damit hat man die Wirklichkeit zu sehr vereinfacht", sagt Martin Schultze, einer der Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, die die Lehrmeinung gemeinsam mit Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Technischen Universität München sowie Partnern aus Griechenland, Österreich und Saudi Arabien widerlegt haben: "Wir haben festgestellt, dass es eine Verzögerung bei der Fotoemission gibt." Ganz so, wie selbst der beste Sprinter nicht exakt mit dem Schuss aus dem Startblock saust.

Wie Elektronen im Atom wechselwirken

Bevor ein Elektron aus dem Atom davon fliegt, vergehen demnach einige zehn Attosekunden. Das sind zwar nur einige Milliardstel Bruchteile einer Milliardstel Sekunde. Doch auch dieser winzige Moment reicht, um an der Theorie zu rütteln, die Physiker über das elektronische Geschehen im Atom aufgestellt haben. "Unsere Ergebnisse geben einen weiteren wichtigen Einblick in die Wechselwirkungen von Elektronen in Atomen", sagt Ferenc Krausz, in dessen Abteilung am Max-Planck-Institut für Quantenoptik die Experimente vorgenommen wurden.

Wenn ein Elektron aus einem Atom herausgelöst wird, ist das keine Sache, die ein Elektron alleine mit dem Lichtpuls ausmacht. Solch ein Ereignis betrifft immer alle Elektronen eines Atoms. Ohne vereinfachende Annahmen können aber sogar die leistungsfähigsten Rechner die gemeinsame Bewegung nicht simulieren. Daher schätzen sie den Einfluss der Elektronen, die bei der Fotoemission nicht selbst aus dem Atom geschleudert werden, mit einem Mittelwert ab.

Nun haben Forscher des Teams zum ersten Mal ausprobiert, ob sie die bekannten Modelle so mit Ausgangswerten füttern können, dass die Simulationen einen verzögerten Elektronenstart wiedergeben. Und tatsächlich: Wenn die etablierten Modellen entsprechend getrimmt werden, berechnen auch sie die Verzögerung, veranschlagen sie aber bei einem Wert, der nur bei einem Fünftel des gemessenen Verzugs liegt. "Offenbar machen sie dabei aber einen systematischen Fehler", sagt Martin Schultze.

Nun können Theoretiker die Modelle so verfeinern, dass sie den verzögerten Elektronenschuss wiedergeben und auch präzisere Aussagen zu anderen Aspekten des elektronischen Verhaltens erhalten. "Das dürfte vor allem dann von Bedeutung geht, wenn es um die elektronischen Transporteigenschaften eines Materials geht", sagt Martin Schultze. Etwa bei der Suche nach Halbleitern oder Materialien mit speziellen Eigenschaften für die Elektronik.

Zeitmessung mit einem trickreichen Experiment

Dass die Physiker nun einen genaueren Blick auf die Fotoemission werfen können, verdanken sie der Attosekundenspektroskopie: "Seit relativ kurzer Zeit können wir Prozesse beobachten, die nur einige Milliardstel Bruchteile einer Milliardstel Sekunde dauern", sagt Ferenc Krausz. Aber auch die extrem kurzen Laserblitze machen noch keine Stoppuhr, mit der sich die absolute Startzeit eines Elektrons nach dem Eintreffen eines Laserpulses messen ließe. "Stattdessen geben unsere Experimente einen sehr zuverlässigen Anhaltspunkt, um auf die Verzögerung zu schließen und ihre Dauer abzuschätzen", erklärt Martin Schultze.

Er und seine Kollegen haben den Zeitunterschied gemessen, mit dem Elektronen aus verschiedenen Orbitalen starten. Ein Orbital beschreibt den Raum, in dem sich ein Elektron aufhält, und bestimmt auch die Reaktion eines Elektrons auf den Laserbeschuss. Und wie verschiedene Sprinter unterschiedlich gut starten, fliegen auch die Elektronen aus verschiedenen Orbitalen nicht mit demselben Verzug davon. Die Differenz zwischen ihren Startzeiten ermitteln die Physiker mit einem raffinierten Kniff.

Als Versuchsobjekt bedienen sie sich dabei einer Wolke des Edelgases Neon und nehmen Elektronen aus zwei Orbitalen in den Blick. Auf die Atome jagen sie nun den Puls von sehr energiereichem ultraviolettem Licht, der gerade einmal für einige zehn Attosekunden aufblitzt und verschiedene Elektronen aus den Edelgasteilchen herausschlägt. Darüber hinaus strahlen sie auf die Atome aber auch noch einen infraroten Laserpuls, der etwa 40-mal länger dauert als der ultraviolette Blitz. Beide Pulse synchronisieren sie so, dass der kürzere ultraviolette immer dann auf die Atome trifft, wenn sich dort auch die längere infrarote Laserwelle aufhält.

Startschuss für das Elektronenrennen

Sobald ein Elektron nun das Atom verlässt, spürt es das schwingende elektromagnetische Feld des infraroten Pulses. Je nachdem, ob das Elektron bei seinem Austritt aus dem Atom in ein Tal der infraroten Laserwelle fällt oder auf einen Berg trifft, wird es ein wenig beschleunigt oder abgebremst. In welche Richtung der Schubs geht, hängt zum einen davon ab, wie die Lichtwellen der beiden Pulse zusammenfallen, wenn sie auf das Atom treffen. Das können die Forscher sehr genau steuern. Es hängt zum anderen aber davon ab, wie stark sich der Start eines Elektrons verzögert, also auch von dem Orbital, aus dem es stammt. Indem die Forscher nun die Position des kurzen ultravioletten Pulses im längeren Infraroten variieren, erhalten sie ein Bild, wann verschiedene Elektronen beschleunigt beziehungsweise abgebremst werden. Daraus ergibt sich unmittelbar, wie sich die Startzeiten aus Elektronen unterschiedlicher Orbitale unterscheiden.

Im Fall der Elektronen, die das Physikerteam fokussierte, ergibt sich eine Differenz von etwa 20 Attosekunden. "Um jedoch ihren absoluten Wert zu messen, bräuchten wir ein Atom, in dem die Elektronen aus einem Orbital ohne Verzögerung starten", sagt Martin Schultze. Das unverzögerte Elektron gäbe dann den Startschuss für das Elektronenrennen und würde eine Stoppuhr für die verzögerten Startzeiten der anderen Elektronen ermöglichen.

Originalveröffentlichung:

M. Schultze, M. Fieß, N. Karpowicz, J. Gagnon, M. Korbman, M. Hofstetter, S. Neppl, A. L. Cavalieri, Y. Komninos, Th. Mercouris, C. A. Nicolaides, R. Pazourek, S. Nagele, J. Feist, J. Burgdörfer, A. M. Azzeer, R. Ernstorfer, R. Kienberger, U. Kleineberg, E. Goulielmakis, F. Krausz & V. S. Yakovlev
Delay in Photoemission
Science, 25. Juni 2010
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Martin Schultze
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Tel.: +49 89 32905- 236
E-Mail: Martin.Schultze@mpq.mpg.de
Prof. Ferenc Krausz
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Tel.: +49 89 32905-612
E-Mail: krausz@lmu.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

nachricht Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

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: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics