Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gefesselte Elektronen

27.03.2006


Max-Planck Wissenschaftler beweisen, dass Elektronen Zustände oberhalb des Vakuum-Niveaus besetzen.


Die linke Abbildung, zeigt die Messergebnisse der Physiker am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik: Die Peaks in ihren Messungen bilden einen Teil der energetischen Zustände ab, in denen sich Elektronen befinden. Rechts von der gestrichelten Linie (mit ATP - Above Threshold Photoemission) sollten sie sich eigentlich aus dem Festkörper lösen. Dass auch dort Signale zu beobachten sind, zeigt: Die Elektronen besetzen Zustände oberhalb des Vakuum-Niveaus. Die rechte Abbildung zeigt die Ergebnisse der Messungen schematisch. IP n = 1 und IP n = 2 kennzeichnen die Zustände, in denen die Elektronen frei sind, aber immer noch Kontakt zum Metall halten. Die senkrechten Linien stellen Anregungen jeweils eines Elektrons durch mehrere Photonen in Zustände dar, in denen sie sich völlig vom Metall gelöst haben (ATP). Bild: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik



Wenn Saudi-Arabien Fußballweltmeister wird, ist das eine Sensation. Für noch mehr Aufregung aber könnte in dem Turnier eine schlichte Flanke, sagen wir von Michael Ballack, sorgen - wenn der Ball einige Zentimeter von seiner Fussspitze entfernt in der Luft hängen bliebe, heftig auf und ab zitterte, und erst nach einem weiteren Tritt über den Platz fegte. In der Quantenwelt ist so etwas möglich: Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle haben Elektronen in einem Kupferplättchen jetzt mit Laserlicht einen Kick gegeben, so dass sie ins Vakuum hätten sausen müssen. Als seien sie gefesselt konnten sie sich aber nicht aus dem Metall lösen. Für einige Elektronen könnte das zum Beispiel bedeuten, dass sie knapp über der Metall-Oberfläche schweben. Damit haben die Physiker bewiesen, dass sich Elektronen tatsächlich in Zuständen aufhalten, die sie bislang nur für virtuell hielten. Ganz nebenbei erweitern die Forscher mit ihren Experimenten Einsteins nobelpreisgekrönte Theorie der Photoemission. (Physical Review Letters, 3. März 2006)

... mehr zu:
»Elektron »Laser »Physik


Auf Computerchips, Laser und Neonröhren müssten wir heute verzichten, wenn Physiker nicht die elektronischen Eigenschaften der Stoffe erforscht hätten, die sie in der Natur finden oder in Labors herstellen. Dabei gehen sie immer der Frage nach, wo sich die Elektronen in diesen Substanzen aufhalten oder, physikalisch gesprochen, mit welcher Energie sie um die Atomkerne schwirren - und wie sie ihnen einen energetischen Schub verpassen können. In Metallen bedienen sich die Wissenschaftler dafür gerne der Photoelektronen-Spektroskopie. Die Methode beruht auf der Theorie, für die Albert Einstein 1921 den Nobelpreis erhielt. Demnach kann ein Lichtstrahl ein Elektron nur aus einem Festkörper lösen, wenn er eine bestimmte Farbe, sprich mindestens eine bestimmte Energie, hat.

Selbst einem so gut untersuchten Metall wie Kupfer können Physiker damit heute noch Geheimnisse entlocken. Francesco Bisio und Miroslav Nývlt, Gastforscher am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle, haben jetzt in einem Kupferplättchen Elektronen in Zuständen beobachtet, die sie bislang nur für mathematische Konstrukte der Quantentheorie hielten. Diese Zustände liegen oberhalb des Vakuumniveaus - jener Energie, die ein Elektron mindestens braucht, um dem Metallgitter zu entkommen und in die Freiheit zu sausen. Die Elektronen entwischten aber nicht, sondern blieben an das Metall gefesselt.

"Meine beiden Kollegen haben jetzt gezeigt, dass diese Zustände nicht nur virtuell, sondern real sind - wenn auch sehr kurzlebig", sagt Jürgen Kirschner, Direktor am Max-Planck-Institut in Halle und Leiter der Gruppe, in der Bisio und Nyvlt gearbeitet haben. Dass Elektronen tatsächlich auch solche ungewöhnlichen Zustände annehmen, hat mit einer Eigenheit der Quantentheorie zu tun: In ihr ist beinahe alles möglich - auch dass Michael Ballacks Fuß den Ball nicht los wird oder Saudi-Arabien die Weltmeisterschaft gewinnt. Allerdings: Die Wahrscheinlichkeit für viele denkbare Ereignisse ist nur verschwindend klein. So auch dafür, dass Physiker Elektronen ins energetische Nirgendwo befördern können. Ob sie das schaffen, hängt auch davon ab, mit wie vielen Photonen sie die Elektronen befeuern, wie oft sie ihnen also einen Kick verpassen.

Ist die Zahl der Photonen, also die Intensität des eingestrahlten Lichtes, nur groß genug, interagieren einige Photonen auch so mit den Elektronen, dass diese in einem Zustand landen, in dem sie dem Metall eigentlich entwischen müssten - aber doch nicht loskommen. Genau diese Erkenntnis kollidiert mit Einsteins Theorie des Photoeffekts. Einstein stellte nämlich fest, dass nur die Farbe (entsprechend die Energie) des Lichts und nicht seine Intensität darüber entscheidet, ob es Elektronen aus einem Metall katapultieren kann. Albert Einstein kannte jedoch noch keine Laser. Sie liefern Lichtpulse von so hoher Intensität, dass Phänomene auftreten, die Physiker Effekte höherer Ordnung oder nichtlineare Effekte nennen.

Pikanterweise verwenden die Hallenser Physiker Laserlicht, dessen Energie nach Einstein nicht ausreicht, um ein Photon aus dem Kupfer zu schlagen. Die Elektronen fangen aber mehrere Photonen gleichzeitig ein und sammeln so die nötige Energie, um dem Metall zu entwischen. Dieses Phänomen ist sehr unwahrscheinlich. Francesco Bisio und Miroslav Nyvlt konnten es nur beobachten, weil sie sehr intensive Lichtpulse einstrahlten. "Ein kurioser Gedanke: Nichtlineare Effekte der Quantentheorie ermöglichen Phänomene, die die klassische Physik als lineare Effekte darstellte und die seit Einstein und Planck als physikalische Unmöglichkeit gelten", sagt Kirschner.

Neben der hohen Intensität nutzten Bisio und Nyvlt einen Trick: Sie ballerten nicht wahllos mit dem Laser auf die Kupferoberfläche; vielmehr wählten sie sorgfältig den Winkel, in dem sie die Lichtwellen auf das Metall treffen ließen. Entscheidend war dabei die Schwingungsrichtung des Lichts, dessen Wellen in einem Laser alle parallel laufen. Erreichten die Lichtwellen das Kupfer in einem bestimmten Winkel, gaben sie den Elektronen zwar einen kräftigen Schub. Der beschleunigte die Elektronen aber nicht von der Metalloberfläche weg, sondern parallel zu ihr. Die Elektronen bewegten sich also heftig, jedoch nur in einer Ebene über dem Kupferplättchen. Um im Bild zu bleiben: Michael Ballack muss sich nicht wundern, wenn seine Flanke seinen Kollegen Miroslav Klose nicht erreicht, wenn er in den Himmel über dem Stadion schießt.

Originalveröffentlichung:

Francesco Bisio, Miroslav Nývlt, Jiri Franta, Hrvoye Petek und Jürgen Kirschner
Mechanisms of High-Order Pertubative Photoemission from Cu(001)
Physical Review Letters, 3 February 2006-03-24

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Berichte zu: Elektron Laser Physik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wie Magnetismus entsteht: Elektronen stärker verbunden als gedacht
21.09.2018 | Forschungszentrum Jülich

nachricht NOEMA: Halbzeit für das im Bau befindliche Superteleskop
20.09.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Wie Magnetismus entsteht: Elektronen stärker verbunden als gedacht

Wieso sind manche Metalle magnetisch? Diese einfache Frage ist wissenschaftlich gar nicht so leicht fundiert zu beantworten. Das zeigt eine aktuelle Arbeit von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und der Universität Halle. Den Forschern ist es zum ersten Mal gelungen, in einem magnetischen Material, in diesem Fall Kobalt, die Wechselwirkung zwischen einzelnen Elektronen sichtbar zu machen, die letztlich zur Ausbildung der magnetischen Eigenschaften führt. Damit sind erstmals genaue Einblicke in den elektronischen Ursprung des Magnetismus möglich, die vorher nur auf theoretischem Weg zugänglich waren.

Für ihre Untersuchung nutzten die Forscher ein spezielles Elektronenmikroskop, das das Forschungszentrum Jülich am Elettra-Speicherring im italienischen Triest...

Im Focus: Erstmals gemessen: Wie lange dauert ein Quantensprung?

Mit Hilfe ausgeklügelter Experimente und Berechnungen der TU Wien ist es erstmals gelungen, die Dauer des berühmten photoelektrischen Effekts zu messen.

Es war eines der entscheidenden Experimente für die Quantenphysik: Wenn Licht auf bestimmte Materialien fällt, werden Elektronen aus der Oberfläche...

Im Focus: Scientists present new observations to understand the phase transition in quantum chromodynamics

The building blocks of matter in our universe were formed in the first 10 microseconds of its existence, according to the currently accepted scientific picture. After the Big Bang about 13.7 billion years ago, matter consisted mainly of quarks and gluons, two types of elementary particles whose interactions are governed by quantum chromodynamics (QCD), the theory of strong interaction. In the early universe, these particles moved (nearly) freely in a quark-gluon plasma.

This is a joint press release of University Muenster and Heidelberg as well as the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Then, in a phase transition, they combined and formed hadrons, among them the building blocks of atomic nuclei, protons and neutrons. In the current issue of...

Im Focus: Der Truck der Zukunft

Lastkraftwagen (Lkw) sind für den Gütertransport auch in den kommenden Jahrzehnten unverzichtbar. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Technischen Universität München (TUM) und ihre Partner haben ein Konzept für den Truck der Zukunft erarbeitet. Dazu zählen die europaweite Zulassung für Lang-Lkw, der Diesel-Hybrid-Antrieb und eine multifunktionale Fahrerkabine.

Laut der Prognose des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur wird der Lkw-Güterverkehr bis 2030 im Vergleich zu 2010 um 39 Prozent steigen....

Im Focus: Extrem klein und schnell: Laser zündet heißes Plasma

Feuert man Lichtpulse aus einer extrem starken Laseranlage auf Materialproben, reißt das elektrische Feld des Lichts die Elektronen von den Atomkernen ab. Für Sekundenbruchteile entsteht ein Plasma. Dabei koppeln die Elektronen mit dem Laserlicht und erreichen beinahe Lichtgeschwindigkeit. Beim Herausfliegen aus der Materialprobe ziehen sie die Atomrümpfe (Ionen) hinter sich her. Um diesen komplexen Beschleunigungsprozess experimentell untersuchen zu können, haben Forscher aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eine neuartige Diagnostik für innovative laserbasierte Teilchenbeschleuniger entwickelt. Ihre Ergebnisse erscheinen jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review X“.

„Unser Ziel ist ein ultrakompakter Beschleuniger für die Ionentherapie, also die Krebsbestrahlung mit geladenen Teilchen“, so der Physiker Dr. Thomas Kluge vom...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

4. BF21-Jahrestagung „Car Data – Telematik – Mobilität – Fahrerassistenzsysteme – Autonomes Fahren – eCall – Connected Car“

21.09.2018 | Veranstaltungen

Forum Additive Fertigung: So gelingt der Einstieg in den 3D-Druck

21.09.2018 | Veranstaltungen

12. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

20.09.2018 | Veranstaltungen

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

Tiefseebergbau: Forschung zu Risiken und ökologischen Folgen geht weiter

21.09.2018 | Geowissenschaften

4. BF21-Jahrestagung „Car Data – Telematik – Mobilität – Fahrerassistenzsysteme – Autonomes Fahren – eCall – Connected Car“

21.09.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Optimierungspotenziale bei Kaminöfen

21.09.2018 | Energie und Elektrotechnik

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