Zirpen von ultraschnellen Elektronen gefilmt

Hamburg/Kiel – Trifft intensive Laserstrahlung auf ein Atom, kann sie ein Elektron aus der Atomhülle herausschlagen. Ein anderes Elektron nimmt dann bildhaft gesprochen die Position des ersten ein und gibt dabei Energie ab. Durch diese Energie kann in einigen Fällen ein weiteres Elektron, das sogenannte Auger-Elektron, die Hülle verlassen. Obwohl der Vorgang nur einige Billiardstel Sekunden dauert, beobachtete eine Forschergruppe ihn nun mithilfe einer ultraschnellen Kamera in Kombination mit einem Freie-Elektronen-Laser. Dadurch konnten sie zum Beispiel verfolgen, dass die beiden Elektronen Energie austauschten, wenn sie sich in die gleiche Richtung bewegen. Die neuen Erkenntnisse seien hilfreich für zukünftige Messungen von ultraschnellen Prozessen in Atomen, Molekülen oder Festkörpern, so die Forscher im Fachblatt „Physical Review Letters“.

Experimentierhalle mit zahlreichen Geräten und Stationen von oben betrachtet.
FLASH-Halle

Die Gruppe von den Universitäten Hamburg und Kiel arbeitete mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg. Um die Elektronenbewegungen aufzunehmen, nutzten die Wissenschaftler eine ultraschnelle Terahertz-Schmierbildkamera. Dabei wird ein schnell schwingendes elektromagnetisches Feld erzeugt, in dem die Elektronen abgelenkt werden. Da sich die Ablenkung innerhalb der Beobachtungszeit von 50 Billiardstel Sekunden verändert, entsteht eine Art Schmierbild der Elektronen. Die elektrischen Felder von Kamera und Laser müssen dafür genau synchronisiert sein. Die Forscher wiederholten ihre Messung viele Male, um aus den Einzelbeobachtungen einen zuverlässigen Bewegungsablauf zu rekonstruieren. Anschließend überprüften sie ihre Messungen mit Computersimulationen.

Neben dem Energieaustausch der beiden Elektronen konnte das Team außerdem nachweisen, dass sich die Bewegungsenergie des Auger-Elektrons in Abhängigkeit von der Zeit verändert. Ein solches „Zirpen“, wie Physiker den Vorgang nennen, war bisher nur für Elektronen bekannt, welche direkt durch Laserlicht aus der Atomhülle herausgelöst werden. In diesem Fall entsteht das Zirpen dadurch, dass die Frequenz des einfallenden Laserlichts leicht variiert wird. Bei dem Auger-Elektron dagegen hängt der Effekt nicht von der Lichtfrequenz ab, sondern von der Wechselwirkung mit dem zuerst emittierten Elektron, berichten die Wissenschaftler. 

Die Ergebnisse sind nicht nur wichtig, um die  Elektronendynamik in der Atomhülle besser nachzuvollziehen. Sie verraten den Forschern auch mehr über die Eigenschaften des eingesetzten Laserlichts. „Ziel ist eine Weiterentwicklung der Technik, um damit die Dauer des Laserpulses genauer messen und einstellen zu können“, erklärt Elke Plönjes, die an den Untersuchungen beteiligt war.