Auf Quantenpfaden durch das Heliumatom

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

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)