Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie eine Spektrallinie entsteht

11.11.2016

Ultrakurze intensive Laserpulse schalten fundamentales Quantenphänomen

Zum ersten Mal konnten Physiker in Echtzeit beobachten, wie eine atomare Spektrallinie in der unglaublich kurzen Zeitspanne von einigen Femtosekunden entsteht, und damit eine theoretische Vorhersage bestätigen.


Absorption in Helium in Abhängigkeit von der Photonenenergie des anregenden extrem-ultravioletten Lichtblitzes und dem Zeitversatz zum ionisierenden nah-infraroten Laserpuls, der als Schalter wirkt.

Grafik: MPIK

Dazu verwendeten sie einen sehr schnellen zeitlichen Schalter: Ein intensiver Laserblitz unterbricht den natürlichen Zerfall kurz nach Anregung durch einen vorangehenden Laserblitz. Wie sich die asymmetrische Fano-Linienform von zwei quantenmechanisch interferierenden Elektronen im Heliumatom zeitlich aufbaut, verfolgten die Wissenschaftler, indem sie den Zeitversatz zwischen den beiden Laserpulsen variierten.

Im klassischen Bild können die Elektronen in einem Atom nur auf bestimmten Bahnen ihren Kern umkreisen – oder quantenmechanisch gesprochen bestimmte Orbitale bzw. Energieniveaus besetzen. Licht kann ein Elektron auf eine höhere Bahn heben (anregen), wenn seine Energie (Farbe) der Energiedifferenz der Orbitale entspricht.

Das Atom absorbiert also nur bestimmte Lichtfarben, sein Absorptions-Spektrum genannt. In den meisten Fällen haben die einzelnen Spektrallinien eine symmetrische Form; unter besonderen Bedingungen treten aber auch asymmetrische Linienformen auf, die als Fano-Profile bezeichnet werden.

Ein Beispiel dafür ist der Zerfall doppelt angeregten Heliums: Eines der beiden angeregten Elektronen fällt in den Grundzustand zurück, nachdem es mit dem anderen Elektron kollidiert ist, das dadurch aus dem Atom herausfliegt. Da das freie Elektron nicht mehr auf diskrete Energieniveaus beschränkt ist, sprechen die Physiker von der Kopplung eines diskreten Zustands an ein Kontinuum.

Dieses Phänomen tritt bei vielen verschiedenen Vorgängen in der Natur auf, insbesondere an der Grenze zwischen Quanten- (diskrete Energien) und klassischer (kontinuierliche Energien) Mechanik. Theoretische Rechnungen sagen vorher, dass sich das zugehörige Fano-Profil nicht sofort, sondern nach und nach, wenn auch extrem schnell, aufbaut: Das Entfalten der Linienform dauert in Helium einige Femtosekunden – einige Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Kürzlich gelang es Experimentalphysikern vom MPI für Kernphysik (MPIK) in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Technischen Universität Wien und der Kansas State University in den USA, eine Art Zeitlupen-Film vom Entstehen einer solchen Fano-Linie aufzunehmen. Die extrem kurzen Zeiten erreichten sie mit zwei ultrakurzen laserkontrollierten Lichtblitzen. Der erste im extremen Ultraviolett regt beide Elektronen des Heliumatoms an.

Einige Femtosekunden später löst der zweite, intensive Laserblitz im nahen Infrarot die Ionisation vorzeitig aus, d.h. er beschleunigt den natürlichen Zerfallsprozess stark. Alexander Blättermann, Postdoktorand in der Gruppe von Thomas Pfeifer am MPIK, veranschaulicht den Vorgang: „Man kann sich das angeregte Heliumatom als einen mit der Lichtfrequenz schwingenden Dipol (ein elektrisch geladenes Pendel) vorstellen, der die optische Absorptionslinie erzeugt.

Der nachfolgende starke Infrarotpuls wirkt als ultraschneller Lichtschalter und stoppt die Schwingung, bevor sich die Linie vollständig aufgebaut hat.“ Durch Variation des Zeitversatzes zwischen den beiden Laserpulsen – dies erfolgte mit einer Genauigkeit von unter einer Femtosekunde – verfolgten die Wissenschaftler das Entstehen der Linienform in Echtzeit.

„Die experimentellen Ergebnisse zeigen schön, wie sich das Fano-Profil mit zunehmendem Zeitversatz nach und nach aufbaut“, sagt Andreas Kaldun, der kürzlich vom MPIK zum SLAC in Stanford gewechselt ist. Bei sehr kurzen Zeitversätzen ist die Spektrallinie komplett zu einer breiten und flachen Bande verschmiert. Mit zunehmendem Zeitversatz bekommt der Dipol immer mehr Zeit zum Schwingen, wodurch die Linie schrittweise schmaler und steiler wird und sich schließlich dem ursprünglichen Fano-Profil annähert – in sehr guter Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage.

„Unsere Ergebnisse bestätigen somit nicht nur die Vorhersage, sondern demonstrieren zugleich die Leistungsfähigkeit des verwendeten ultra-schnellen Lichtschalter-Prinzips für die Erforschung der Entstehung und des zeitlichen Ablaufs verschiedener fundamentaler Quantenprozesse, die bisher nur anhand ihrer statischen Absorptionsspektren untersucht werden konnten“, resümiert Thomas Pfeifer.

Das Studium solch fundamentaler atomarer Vorgänge mit verschiedenen experimentellen Methoden hat schon immer die Grundlagen der Physik vorangebracht (z.B. die Entdeckung der Quantenmechanik) und bleibt auch in der weltweiten Forschungslandschaft bis heute aktuell: In derselben Ausgabe des Science-Magazins erscheint eine Arbeit von französischen und spanischen Forschern, welche die komplementäre Methode der zeitaufgelösten Photoelektronen-Spektroskopie eingesetzt haben, um einen Blick „von außen“ auf die Fano-Resonanz des Atoms zu werfen (DOI: 10.1126/science.aah5188). Dies geschieht durch die zeitaufgelöste Rekonstruktion einer aus dem Atom herauslaufenden quantenmechanischen Elektronenwelle.

Zusammen mit dem oben beschriebenen Blick „von innen“ (DOI: 10.1126/science.aah6972) durch die zeitlich geschaltete Dipolschwingung, leistet die Atomphysik mit komplementären Methoden auch hier wieder einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Grundbausteine der Natur. Auf lange Sicht kann dies dann zu technologischen Anwendungen führen, z.B. der laserkontrollierten Chemie oder winzigen ultraschnellen Computern, wie in der Vergangenheit die Grundlagen der Quantenmechanik zu Lasern und Röntgenquellen führten.

Originalveröffentlichung:
Observing the ultrafast build-up of a Fano resonance in the time domain, A. Kaldun, A. Blättermann, V. Stooß, S. Donsa, H. Wei, R. Pazourek, S. Nagele, C. Ott, C. D. Lin, J. Burgdörfer, T. Pfeifer, Science, 11.11.2016, DOI: 10.1126/science.aah6972

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Pfeifer, MPI für Kernphysik
Tel.: +496221 516380
E-Mail: thomas.pfeifer@mpi-hd.mpg.de

Prof. Dr. Joachim Burgdörfer, Technische Universität Wien
Tel.: + 43 1 58801 136 10
E-Mail: joachim.burgdoerfer@tuwien.ac.at

Prof. Dr. Chii-Dong Lin, Kansas State University
Tel.: +1-785-532-1617
E-Mail: cdlin@phys.ksu.edu

Weitere Informationen:

http://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/de/pfeifer/pfeifer-division-home/ Abteilung Pfeifer am MPIK
http://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/de/aktuelles/meldung/detail/die-choreografie-eines-...

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Berichte zu: Atom Elektronen Femtosekunde Heliumatom Kernphysik Laserblitz MPI MPIK Quantenmechanik Spektrallinie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wärmekraftmaschinen in der Mikrowelt
23.08.2019 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Hamburger und Kieler Forschende beobachten spontanes Auftreten von Skyrmionen in atomar dünnen Kobaltfilmen
23.08.2019 | Universität Hamburg

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: Hamburger und Kieler Forschende beobachten spontanes Auftreten von Skyrmionen in atomar dünnen Kobaltfilmen

Seit ihrer experimentellen Entdeckung sind magnetische Skyrmionen – winzige magnetische Knoten – in den Fokus der Forschung gerückt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Hamburg und Kiel konnten nun zeigen, dass sich einzelne magnetische Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern in magnetischen Metallfilmen auch ohne ein äußeres Magnetfeld stabilisieren lassen. Über ihre Entdeckung berichten sie in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Existenz magnetischer Skyrmionen als teilchenartige Objekte ist bereits vor 30 Jahren von theoretischen Physikern vorhergesagt worden, konnte aber erst...

Im Focus: Hamburg and Kiel researchers observe spontaneous occurrence of skyrmions in atomically thin cobalt films

Since their experimental discovery, magnetic skyrmions - tiny magnetic knots - have moved into the focus of research. Scientists from Hamburg and Kiel have now been able to show that individual magnetic skyrmions with a diameter of only a few nanometres can be stabilised in magnetic metal films even without an external magnetic field. They report on their discovery in the journal Nature Communications.

The existence of magnetic skyrmions as particle-like objects was predicted 30 years ago by theoretical physicists, but could only be proven experimentally in...

Im Focus: Physicists create world's smallest engine

Theoretical physicists at Trinity College Dublin are among an international collaboration that has built the world's smallest engine - which, as a single calcium ion, is approximately ten billion times smaller than a car engine.

Work performed by Professor John Goold's QuSys group in Trinity's School of Physics describes the science behind this tiny motor.

Im Focus: Die verschränkte Zeit der Quantengravitation

Die Theorien der Quantenmechanik und der Gravitation sind dafür bekannt, trotz der Bemühungen unzähliger PhysikerInnen in den letzten 50 Jahren, miteinander inkompatibel zu sein. Vor kurzem ist es jedoch einem internationalen Forschungsteam von PhysikerInnen der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie der Universität Queensland (AUS) und dem Stevens Institute of Technology (USA) gelungen, wichtige Bestandteile der beiden Theorien, die den Verlauf der Zeit beschreiben, zu verbinden. Sie fanden heraus, dass die zeitliche Abfolge von Ereignissen echte Quanteneigenschaften aufweisen kann.

Der allgemeinen Relativitätstheorie zufolge verlangsamt die Anwesenheit eines schweren Körpers die Zeit. Das bedeutet, dass eine Uhr in der Nähe eines schweren...

Im Focus: Quantencomputer sollen tragbar werden

Infineon Austria forscht gemeinsam mit der Universität Innsbruck, der ETH Zürich und Interactive Fully Electrical Vehicles SRL an konkreten Fragestellungen zum kommerziellen Einsatz von Quantencomputern. Mit neuen Innovationen im Design und in der Fertigung wollen die Partner aus Hochschulen und Industrie leistbare Bauelemente für Quantencomputer entwickeln.

Ionenfallen haben sich als sehr erfolgreiche Technologie für die Kontrolle und Manipulation von Quantenteilchen erwiesen. Sie bilden heute das Herzstück der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

GAIN 2019: Das größte Netzwerktreffen deutscher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler startet in den USA

22.08.2019 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz auf der MS Wissenschaft

22.08.2019 | Veranstaltungen

Informatik-Tagung vom 26. bis 30. August 2019 in Aachen

21.08.2019 | Veranstaltungen

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

5G macht die Produktion smarter

23.08.2019 | Informationstechnologie

Wärmekraftmaschinen in der Mikrowelt

23.08.2019 | Physik Astronomie

Auf dem Prüfstand: Automatisierte Induktionsthermographie zur Oberflächenrissprüfung von Schmiedeteilen

23.08.2019 | Maschinenbau

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