Der Beginn der Attosekundenphysik: Forscher fotografieren Emission eines Elektrons

Ein Augenzwinkern dauert im Vergleich geradezu eine Ewigkeit. Erst wenn man den millionstel Teil der Dauer eines Lidschlags in weitere 100 Millionen extrem kurze Momente unterteilt, erreicht man die zeitliche Dimension, in der Wiener und Bielefelder Physiker die Dynamik in Atomen untersuchen. Zum aller ersten Mal gelang es den Forschern der mit so genannten Attosekundenpulsen, die Bewegung von einzelnen Elektronen zu verfolgen. "Wir konnten die Aussendung eines einzelnen Elektrons fotografieren", sagt Gruppenleiter Ferenc Krausz von der Technischen Universität Wien.

"Damit hat die Wiener Gruppe die Schwelle zur Attosekundenphysik überschritten", sagt Joachim Herrmann vom Max-Born Institut in Berlin, über das Experiment, dass das Krausz-Team und seine Kollegen von der Universität Bielefeld in der Fachzeitschrift "Nature" (Vol. 419, S. 803) veröffentlichten. Im Prinzip lässt sich dieses Laser-Experiment mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit unvorstellbar kurzen Verschlusszeiten vergleichen. Je kürzer ein Puls ist, desto schnellere Abläufe lassen sich scharf und unverzerrt beobachten.

Kurzer Lichtpuls für Reaktionsanalysen

Bildbeschreibung:
(F. Krausz, TU Wien)

So gelang es in den letzten Jahren, zuerst die rund ein Tausendstel einer Milliardstel Sekunde schnellen Bewegung von einzelnen Molekülen in einer Flüssigkeit zu filmen. Der nächste Schritt mit so genannten Femtosekundenpulsen erlaubte die Aufnahme von rund 100 bis 1000 mal schnelleren Atomschwingungen und chemischen Reaktionen. Für die Entwicklung dieser Methode wurde 1999 der in den USA forschende Ägypter Ahmed H. Zewail mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet. Abermals um ein Vielfaches schneller bewegen sich aber die Elektronen in einem angeregten Atom, die nun mit den extrem kurzen Pulsen der Wiener Physiker schnappschussartig analysiert werden können.

Die Schlüsseltechnik dieser "Elektronen-Kamera" beruht neben der Herstellung der ultrakurzen Pulse auf der exakten Abstimmung zweier aufeinanderfolgender Lichtpulse (Pump & Probe). Der erste, ein weicher Röntgenpuls mit rund 650 Attosekunden Länge - schlägt ein Elektron aus einer inneren Umlaufbahn (M-Schale) um das Krypton-Atom heraus. Damit startet quasi die Beobachtung mit einem zweiten Laserpuls, der mit 750 Nanometern Wellenlänge im sichtbaren Bereich liegt. So konnte die Aussendung eines Auger-Elektrons aus der L-Schale des Edelgasatoms mit bisher unerreichter Genauigkeit beobachtet werden. "Wir haben eine Zeitauflösung von knapp 500 Attosekunden erreicht", sagt Krausz.

Als Quelle für die Attosekundenpulse nutzten die Wissenschaftler das atomare Verhalten von Neon. Bereits vor gut einem Jahr berichteten sie ebenfalls in "Nature" über die Herstellung. In ihrem Experiment, an dem auch deutsche und kanadische Forscher beteiligt waren, starteten die Physiker mit einem intensiven Lichtpuls im sichtbaren Bereich von sieben Femtosekunden Länge. Damit schlugen sie Elektronen aus einem Neonatom. Diese Elektronen oszillieren, sie werden durch die Schwingungen des elektromagnetischen Feldes alternierend beschleunigt und abgebremst. Trifft ein solches Elektron auf den Ionenrumpf des Neonatoms, entstehen harmonische Schwingungen höherer Ordnung. Die Frequenzen dieser "Harmonischen" entsprechen jeweils einem Vielfachen des ursprünglichen Laserpulses und rangieren im UV bzw. im weichen Röntgen-Bereich.

Da der Ursprungpuls nur einige optische Perioden umfasst, entstanden nach der Kollision von Elektron und Ion ebenfalls nur einige Attosekunden-Pulse (Bursts). Krausz und Kollegen trennten mit einem Zirkon-Filter die sichtbaren Anteile von den höheren Harmonischen und erhielten so einen einzelnen weichen Röntgenpuls (~90 eV) mit Attosekunden-Länge.

"Dieses Experiment bildet einen wichtigen Schritt für die Entwicklung eines Röntgenlasers", meint Krausz. Denn die Erzeugung von Röntgenstrahlen beruht auf ähnlichen Anregungen von Elektronen in Atomen. Doch viele Folgearbeiten seien dazu weltweit noch nötig. Weitere Anwendungen kann sich Krausz bei der genauen Analyse des Zusammenspiels von Elektronen und chemischen Prozessen vorstellen. "Lässt sich dieses Verfahren auf die äußeren Valenzelektronen übertragen, werden wir detailliert die Vorgänge bei chemischen Reaktionen besser verstehen und vielleicht auch steuern können." Da mit diesem Experiment gerade erst ein neues Fenster in das Verhalten der Materie aufgestoßen wurde, lässt der Einfallsreichtum der Physiker auf weitere, bisher ungedachte Anwendungen hoffen.