Ein internationales Team von Forschenden unter der Leitung von drei Wissenschaftlern des Exzellenzclusters PhoenixD an der Leibniz Universität Hannover haben mit Licht die schnellsten und kleinsten Details der Elektronendynamik in Atomen sichtbar gemacht. Dafür verwendeten sie Wellenlängen, die bisher als viel zu lang und damit ungeeignet für diese Aufgabe galten. „Die Entdeckung wird künftig einen neuen und einfachen Zugang zu den zeitlichen und räumlichen Skalen der atomaren Welt ermöglichen“, sagt Dr. Ihar Babushkin, Theoretischer Physiker und Mitglied des Exzellenzclusters PhoenixD an der Leibniz Universität Hannover (LUH).
Auf das Verhältnis kommt es an
Wie kann ich die Flugbahn eines Schmetterlings vermessen, wenn die kleinste Skala meines Zollstocks so groß ist wie das Empire State Building? Diese Frage mag grotesk klingen, denn normalerweise würde wohl niemand ein so kleines Tier mit einem um ein Vielfaches größeren Maßstab ausmessen wollen. Dafür wird ein Maßband benötigt, dessen Maßeinheit kleiner ist als der Schmetterling.
Solche Größenunterschiede finden sich auch bei den kleinsten Teilchen: So wird die Größe von Atomen mit der Maßeinheit Ångström gemessen. Ein Ångström entspricht dem zehnmillionsten Teil eines Millimeters (10-10 m). Werden Atome nun mithilfe von Licht vermessen, dient die Wellenlänge des Lichts als Maßeinheit. Folgerichtig müssten Wellenlängen im Ångström-Bereich am besten für diese Aufgabe geeignet sein. Das wären Röntgenstrahlen, und es wäre nicht zu erwarten, dass ein Betrachter viel oder überhaupt etwas sieht, wenn er das Atom bei sichtbarem Licht mit 3.000-mal größerer Wellenlänge beobachtet.
Diese Verhältnisregeln gelten nicht nur für die Betrachtung von Raum, sondern ebenso von Zeit: In der Atomphysik ist beispielsweise einer der schnellsten Prozesse das Tunneln eines Elektrons aus dem Atom, wenn dieses in ein sehr starkes elektrisches Feld gebracht wird. Die Ionisierung findet auf der Attosekunden-Zeitskala (10-18 Sekunden) statt, während die Periode einer einzelnen Schwingung sichtbares Lichtes etwa eine Femtosekunde (10-15 Sekunden) beträgt.
„Um solche Prozesse zu untersuchen, nutzen die Forscher bisher viel kürzere Lichtwellenlängen oder die aus den Atomen entweichenden Elektronen. Beide Arten von Messungen haben einen entscheidenden Nachteil – sie sind apparativ schwierig umzusetzen und zu handhaben. Aber wir haben dafür jetzt eine Lösung gefunden“, sagt Babushkin. Seine Forschung wurde durch das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierte Schwerpunktprogramm 1840 (QUTIF) gefördert, das von der LUH initiiert wurde und koordiniert wird.
Messung erreicht neue Skala
An der Entdeckung des neuen Zugangs zu den kleinsten atomaren Skalen hat eine Gruppe von insgesamt 21 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter der Leitung von Mitgliedern des Exzellenzclusters PhoenixD mitgewirkt. Sie zeigten mit ihrer Forschung, dass klare Signaturen der Elektronendynamik im sichtbaren Licht erhalten bleiben; und zwar sowohl auf der Zeit- als auch der Raumskala.
Darüber hinaus können auch sehr viel längere Wellenlängen – bis in den Millimeterbereich (Terahertz-Bereich) – genutzt werden. Das heißt, es ist möglich, die Dynamik auf atomarer Ebene auf die Größe der bekannten makroskopischen Welt zu vergrößern.
Der Effekt zeigt sich bei der Ionisation, durch die aus einem Atom ein Elektron entfernt und beschleunigt wird. Das Elektron strahlt dadurch wie jedes beschleunigte geladene Teilchen Licht aus. Aufgrund der Kürze des Ionisationsprozesses ist das Spektrum sehr breit und umfasst ultraviolette, sichtbare und Terahertz-Strahlung. Wird dieses emittierte Licht nun polarisiert, reagiert es höchst empfindlich auf die kleinsten Details der Elektronendynamik. „Durch die Messung der Polarisation des Lichts lassen sich dann viele Aspekte der Elektronendynamik mit ausgezeichneter Präzision rekonstruieren“, sagt Babushkin.
Diese neue Art der Bildgebung eröffnet weitreichende Perspektiven: Sie verspricht Versuchsaufbauten, die zehn- oder sogar hundertmal billiger sind als bisher und macht damit weitere Forschung für viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit erschwinglich. „Außerdem können wir damit die Elektronendynamik in Situationen beobachten, in denen weder Licht mit kurzen Wellenlängen noch Elektronen für den Nachweis zur Verfügung stehen, zum Beispiel in der Masse von Festkörpern“, sagt Ayhan Demircan, Theoretischer Physiker und Mitglied des Exzellenzclusters PhoenixD.
Schließlich können optische Polarisationsmessungen sehr präzise sein, sodass die Wissenschaftler die Elektronendynamik so genau wie nie zuvor messen können. „In der Zukunft“, sagt Babushkin, „könnten diese Erkenntnisse zum Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung an der Grenze der möglichen Auflösung sowohl in Zeit als auch im Raum beitragen.“
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