Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

European XFEL-Wissenschaftler blicken tief ins Atom

09.04.2015

Riesen-Resonanz von Xenon liefert Hinweise auf neue Quantenphysik

Eine Kooperation aus Theorie- und Experimentalphysikern hat bislang unbekannte Quantenzustände im inneren von Atomen entdeckt. Die Beobachtungen, die im Fachblatt „Nature Communications“ veröffentlicht sind, ermöglichen ein besseres Verständnis bestimmter Verhaltensweisen von Elektronen in Atomen, was wiederum zu neuen Erkenntnissen über technologisch relevante Materialien führen könnte.


Zeichnung eines 4d Elektronen-Orbitals in Atomen des Edelgases Xenon.

Antonia Karamatskou / DESY

Die Wissenschaftler vom europäischen Röntgenlaser European XFEL und dem Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY haben die unbekannten Quantenzustände in Atomen des Edelgases Xenon mit DESYs Röntgenlaser FLASH untersucht.

Erst mit dem hellen Röntgenlicht sogenannter Freie-Elektronen-Laser wie FLASH oder dem European XFEL, der 2017 den Forschungsbetrieb aufnehmen soll, wurde diese Beobachtung möglich. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Atome können elektrisch geladen werden, indem sie beispielsweise ein oder mehrere Elektronen abgeben oder aufnehmen. Diese sogenannte Ionisation galt lange als relativ einfacher Prozess. Allerdings stellte sich heraus, dass Elektronen vor ihrem Ausbruch aus der Atomhülle kurzzeitig zwischen den sogenannten Schalen der Hülle hängen bleiben können.

Diese sehr kurze Pause dauert typischerweise zwar weniger als eine Femtosekunde (billiardstel Sekunde), in der Welt der Quantenphysik ist dies jedoch lang genug um als sogenannte Resonanz messbar zu sein.

„In der Resonanz 'sprechen' die Elektronen miteinander“, erläutert Michael Meyer, Leitender Wissenschaftler bei European XFEL und einer der Autoren der Studie. Diese Art Konversation lässt sich per Spektrograph nachweisen und findet in den meisten Atomen in einem sehr schmalen Energiebereich statt.

Seit rund einem halben Jahrhundert kennen Wissenschaftler allerdings eine seltsam breite Resonanz im Edelgas Xenon sowie in einigen Seltenen Erden, die sogenannte Dipol-Riesenresonanz. „Es gab einfach keine guten Werkzeuge, um die Dipol-Riesenresonanz genauer zu untersuchen“, sagt Meyer.

„Erst Freie-Elektronen-Laser im extrem ultravioletten und im Röntgenbereich bieten nun die Möglichkeit, die seltsamen Eigenschaften von Xenon zu überprüfen.“ Diese Anlagen können auch nichtlineare Prozesse untersuchen, also solche Phänomene, die nicht das direkte Ergebnis einer einzelnen Wechselwirkung sind.

Im Fall von Xenon ist dies ein Prozess, bei dem zwei Photonen auf einmal verschwinden, statt einem, und gleichzeitig ihre Energie auf das ausbrechende Elektron übertragen. Dies zeigte sich, als Tommaso Mazza aus der Gruppe von Meyer die Ionisierung von Xenon-Atomen mit der intensiven Strahlung von FLASH beobachtete. Parallel dazu untersuchten DESY-Forscher Robin Santra, Leiter der CFEL-Theoriegruppe, und Antonia Karamatskou aus seiner Gruppe einen 40 Jahre alten Vorschlag zur Dipol-Riesenresonanz, der bislang weitgehend ignoriert worden war:

Demnach handelt es sich nicht um eine, sondern um zwei nahe beieinanderliegende Resonanzen, die frühere spektroskopische Techniken nur nicht unterscheiden konnten - im Gegensatz zu heutigen Freie-Elektronen-Lasern, die sehr gezielt die Elektronenstruktur in der Atomhülle auskundschaften können. Die Berechnungen von Santra und Karamatskou decken sich ausgezeichnet mit den Messungen von Mazza und seinen Kollegen an FLASH.

Santra und Meyer gehen davon aus, dass das Verhalten von Elektronen in der Atomhülle generell viel komplexer ist als bisher bekannt. Denn die Ergebnisse deuten auf noch nicht vollständig verstandene Aspekte im Atom. „Wir verstehen bislang noch nicht einmal, warum es überhaupt eine zweite Resonanz geben sollte“, sagt Santra. „Viele glauben, die Atomphysik sei einfach und durchdrungen, aber wie diese Kooperation gezeigt hat, lauert da noch viel Unbekanntes.“

Das Experiment hat auch gezeigt, dass sich Freie-Elektronen-Laser als hochentwickelte Werkzeuge für die Untersuchung der Quantenphysik eignen. Santra erwartet, dass der European XFELdiese Möglichkeiten noch erheblich erweitert.

Weitere Informationen:

http://www.xfel.eu/nachrichten/2015/european_xfel_wissenschaftler_blicken_tief_i...

Dr. Bernd Ebeling | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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: 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,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

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

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Kaltwasserkorallen: Versauerung schadet, Wärme hilft

27.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

IAB-Arbeitsmarktbarometer: Arbeitsmarkt bleibt im Aufwind

27.04.2017 | Wirtschaft Finanzen

Wurmmittel für Weidetiere können die Keimung von Pflanzensamen beeinflussen

27.04.2017 | Agrar- Forstwissenschaften