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 Wendelstein 7-X erreicht Weltrekord
25.06.2018 | Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP)

nachricht Schnelle Wasserbildung in diffusen interstellaren Wolken
25.06.2018 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Wendelstein 7-X erreicht Weltrekord

Stellarator-Rekord für Fusionsprodukt / Erste Bestätigung für Optimierung

Höhere Temperaturen und Dichten des Plasmas, längere Pulse und den weltweiten Stellarator-Rekord für das Fusionsprodukt hat Wendelstein 7-X in der...

Im Focus: Schnell und innovativ: Jülicher Superrechner ist eine Neuentwicklung aus Europa

Bei der Entwicklung innovativer Superrechner-Architekturen ist Europa dabei, die Führung zu übernehmen. Leuchtendes Beispiel hierfür ist der neue Höchstleistungsrechner, der in diesen Tagen am Jülicher Supercomputing Centre (JSC) an den Start geht. JUWELS ist ein Meilenstein hin zu einer neuen Generation von hochflexiblen modularen Supercomputern, die auf ein erweitertes Aufgabenspektrum abzielen – von Big-Data-Anwendungen bis hin zu rechenaufwändigen Simulationen. Allein mit seinem ersten Modul qualifizierte er sich als Nummer 1 der deutschen Rechner für die TOP500-Liste der schnellsten Computer der Welt, die heute erschienen ist.

Das System wird im Rahmen des von Bund und Sitzländern getragenen Gauß Centre for Supercomputing finanziert und eingesetzt.

Im Focus: Superconducting vortices quantize ordinary metal

Russian researchers together with their French colleagues discovered that a genuine feature of superconductors -- quantum Abrikosov vortices of supercurrent -- can also exist in an ordinary nonsuperconducting metal put into contact with a superconductor. The observation of these vortices provides direct evidence of induced quantum coherence. The pioneering experimental observation was supported by a first-ever numerical model that describes the induced vortices in finer detail.

These fundamental results, published in the journal Nature Communications, enable a better understanding and description of the processes occurring at the...

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Neueste Entwicklungen in Forschung und Technik

25.06.2018 | Veranstaltungen

Wheat Initiative holt Weizenforscher aus aller Welt an einen Tisch

25.06.2018 | Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

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

Wendelstein 7-X erreicht Weltrekord

25.06.2018 | Physik Astronomie

Schnell und innovativ: Jülicher Superrechner ist eine Neuentwicklung aus Europa

25.06.2018 | Informationstechnologie

Leuchtfeuer in der Produktion

25.06.2018 | Energie und Elektrotechnik

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