Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf Quantenpfaden durch das Heliumatom

28.07.2009
Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching konnten Wissenschaftler des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) um Prof. Joachim Ullrich in Zusammenarbeit mit ihren Garchinger Kollegen aus der Nachwuchsgruppe von Dr. Matthias Kling nachweisen, dass Elektronen aus der Ionisation von Heliumatomen in ultrakurzen Laserimpulsen eine der Holographie analoge Interferenz zeigen.

Damit wurde eine wichtige Grundlage für Elektronenholographie von Atomen gelegt (Physical Review Letters 103, 053001).


Ionisation von Helium in einem ultrakurzen Laserimpuls. Das Elektron wird zu den Zeitpunkten t1 bzw. t2 im jeweiligen Maximum der elektrischen Feldamplitude (gelbe Kurve) aus dem Atompotential (blauer Trichter) freigesetzt. Die beiden Teilwege tasten dabei das Rumpfion in verschiedener Weise ab. Die entsprechenden Wellenpakte des auslaufenden Elektrons (rechts) überlagern sich schließlich und interferieren.
MPI für Kernphysik


Berechnetes Interferenzmuster eines Elektrons nach Ionisation von Helium in einem ultrakurzen Laserimpuls. Dargestellt ist die Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeit parallel (horizontale Achse) und senkrecht (vertikale Achse) zur Laserpolarisation.
MPI für Kernphysik

Wie bewegen sich die Elektronen in einem Atom, und was passiert, wenn diese Bewegung gestört wird? Dies in Quantensystemen zeitaufgelöst und detailliert zu erfassen ist ein alter Wunschtraum der Physiker, dessen Erfüllung man in den letzten Jahren durch erhebliche methodische Fortschritte immer näher gekommen ist. Einen neuen Zugang bietet die Attosekundenphysik, die eine Genauigkeit von weniger als einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde verspricht. Innerhalb solch extrem kurzer Zeitspannen vollzieht sich die Bewegung von Elektronen in der Atomhülle.

Die Max-Planck-Forscher haben sich nun die quantenmechanische Welleneigenschaft des Elektrons, mit sich selbst interferieren zu können, zunutze gemacht, um einen tieferen Einblick in die Atomhülle zu erhalten. Interferenz ist auch die Grundlage der optischen Holographie: Hier durchlaufen Lichtwellen einen Strahlteiler, wobei ein Teilstrahl an dem zu untersuchenden Objekt reflektiert wird, um dann wieder mit dem auf direktem Wege gelaufenen Teilstrahl überlagert zu werden. Das dabei entstehende Interferenzmuster trägt die vollständige Information über das abgetastete Objekt und erlaubt daraus dessen Rekonstruktion.

Im aktuellen Experiment spielt nun das Heliumatom selbst die Rolle des Strahlteilers, indem es einem Laserimpuls ausgesetzt wird, der nur wenig länger als ein Schwingungszyklus dauert: Hier kann das Elektron nur in ganz kurzen Zeitspannen von einigen Attosekunden durch das Laserfeld aus dem Atom herausgerissen werden, nämlich dann, wenn die Amplitude der Schwingung ihr Maximum erreicht hat. Aufgrund des hier verwendeten sinusförmigen Verlaufs des elektrischen Feldes (siehe Abb. 1) gibt es genau zwei Zeitpunkte t1 und t2 für diesen Vorgang. Wird das Elektron zur Zeit t1 freigesetzt, so erzwingt der nachfolgende Verlauf der Feldstärke eine Kehrtwende und es muss wieder sein Mutterion passieren, bevor es das Atom endgültig verlässt. Dabei prägt das Mutterion dem Elektronen-Wellenpaket auf diesem Quantenpfad seine Eigenheiten auf. Erfolgt dagegen die Freisetzung zur Zeit t2, kann das Elektron ohne diesen Umweg herauslaufen (Abb 1).

Sind Richtung und Geschwindigkeit des Elektrons auf beiden möglichen Wegen am Ende identisch, und damit die Quantenpfade, welche ein und dasselbe Elektron gehen kann, ununterscheidbar, so kommt es zur Interferenz wie im bekannten Doppelspaltexperiment (Abb. 1). Analog zur optischen Holographie wird das Mutterion, bestehend aus dem Atomkern und dem in der Atomhülle verbliebenen zweiten Elektron, als Objekt gewissermaßen von dem ersten Elektronen-Wellenpaket abgebildet. Den Referenzstrahl bildet das zu t2 freigesetzte direkte Elektron.

Zum Nachweis der Elektronen dient ein am Heidelberger MPIK entwickeltes und gebautes Reaktionsmikroskop, welches für das gemeinsame Experiment an der AS-1-Beamline des MPQ installiert wurde. Die mit einer Repetitionsrate von 3 kHz erzeugten linear polarisierten Laserimpulse von fünf Femtosekunden Dauer und einer Wellenlänge von 740 nm werden in einer Ultrahochvakuumkammer auf einen Überschall-Gasjet aus Heliumatomen fokussiert. Mit schwachen elektrischen und magnetischen Feldern werden die Reaktionsprodukte - die freigesetzten Elektronen sowie die Heliumionen - auf zwei Detektoren gelenkt. Aus der Flugzeit und dem Auftreffort lässt sich Richtung und Geschwindigkeit der Teilchen bestimmen. Die Häufigkeitsverteilungen der so ermittelten Messwerte verglichen die Physiker mit Resultaten einer von Dieter Bauer (MPIK) durchgeführten theoretischen Modellrechnung (Abb. 2). Es zeigte sich, dass die gemessenen Werte qualitativ sehr gut mit der Vorhersage übereinstimmen, wobei das Modell nicht die gesamte Komplexität des Heliumatoms berücksichtigt. Daraus schließen die Forscher, dass die beobachteten Interferenzmuster in der Tat wie in einem Doppelspaltexperiment entstehen. Die Spalte sind dabei die beiden Zeitfenster, in denen das Elektron freigesetzt werden kann. Aus den gemessenen Strukturen folgt, dass die effektive Spaltbreite lediglich ca. 20 Attosekunden beträgt. Die mit dem Reaktionsmikroskop gemessene dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung des Elektrons einschließlich der darin enthaltenen Interferenzmuster könnte so als zeitabhängiges Hologramm des Heliumions aufgefasst werden.

Die Forscher um Ullrich und Kling messen dieser Methode ein großes Potential bei, weitere Fortschritte bei der Abbildung der inneren Dynamik von Atomen zu erzielen und zeitabhängige Informationen über atomare und molekulare Strukturen zu erhalten. Bei einer noch besseren Kontrolle der Wellenform der Laserimpulse könnte man beispielsweise zeitliche Veränderungen der Elektronen des Rumpfions auf einer Attosekunden-Zeitskala sichtbar machen.

Kontakt:

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. Matthias F. Kling
JRG "Attosecond Imaging"
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching
Tel: (+49)89/32905-234
Fax: (+49)89/32905-649
E-Mail: matthias.kling@mpq.mpg.de
Dr. Dieter Bauer
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1
69117 Heidelberg
Tel: (+49)6221/516-186
Fax: (+49)6221/516-152
E-Mail: dieter.bauer@mpi-hd.mpg.de
Weitere Informationen:
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.053001 Originalveröffentlichung
http://www-3.mpi-hd.mpg.de/mpi/fileadmin/files-mpi/PI_He-holo_Abb3.jpg Künstlerische Darstellung der Elektronenholographie von Helium in einem ultrakurzen Laserimpuls (MPQ).
http://www.mpi-hd.mpg.de/ullrich/ Webseite der Abteilung Ullrich (MPIK)
http://www.attoworld.de/junresgrps/attosecimaging.html Webseite der Nachwuchsgruppe Kling (MPQ)

http://www.mpi-hd.mpg.de/keitel/dbauer/ Webseite der Gruppe Bauer (MPIK)

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

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: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise