Elektronenwirbel bei Photoionisation abgebildet

  • 23. March 2017

Gegenläufig zirkular polarisierte Laserpulse erzeugen kurzlebigen Elektronenwirbel.

Einem Team um den Oldenburger Experimentalphysiker Matthias Wollenhaupt ist es mithilfe ultrakurzer Laserpulse gelungen, gezielt Elektronen­wirbel zu erzeugen und diese dreidimensional abzubilden. Damit haben sie einen komplexen physikalischen Vorgang steuern können: die Photo­ionisation oder Ladungs­trennung. Diese gilt als entscheidender Schritt bei der Umwandlung von Licht in elektrischen Strom, beispielsweise in Solarzellen.

Abb.: Dreidimensionale Darstellung der Elektronenwirbel. Die gemessenen zweidimensionalen Bilder sind mithilfe einer eigenen tomographischen Methode zu einem 3D-Bild zusammengefügt. (Bild: U. Oldenburg)

Abb.: Dreidimensionale Darstellung der Elektronenwirbel. Die gemessenen zweidimensionalen Bilder sind mithilfe einer eigenen tomographischen Methode zu einem 3D-Bild zusammengefügt. (Bild: U. Oldenburg)

Das Umwandeln von Licht in elektrischen Strom ist ein ultraschneller Vorgang, dessen Details erstmals Albert Einstein in seinen Studien zum photo­elektrischen Effekt adäquat gedeutet hat. Im Jahr 2015 haben theoretische Physiker vorhergesagt, dass bei der Photo­ionisation mit zwei entgegen­gesetzt zirkular polarisierten Laser­pulsen ein Elektronen­wirbel entsteht. Nun lag es an den Experimental­physikern, diesen tatsächlich zu erzeugen und abzubilden.

Um sich dem komplexen Geschehen anzunähern, studierten die Oldenburger Experimentalphysiker der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle kohärente Dynamik (ULTRA)“ die Vorgänge an elementaren Einheiten – in diesem Fall waren es isolierte Atome. Die Herausforderung bestand darin, die Atome mit maß­geschneiderten Sequenzen zirkular polarisierter Laserpulse zu beschießen, so dass deren Elektronen anfingen, zu rotieren – zunächst in die eine, dann in die andere Richtung. Bei der dadurch ausgelösten Ladungs­trennung entstehen die Elektronen­wirbel. Der gesamte Vorgang spielt sich innerhalb weniger Femtosekunden ab.

Um das Geschehen so gut wie möglich zu beobachten und abzubilden, setzten die Forscher eine tomo­graphische Methode ein, die sie erst kürzlich selbst entwickelt haben: Ähnlich wie in der medizinischen Computer­tomographie entstehen dabei drei­dimensionale Bilder, die das komplexe Geschehen der Ladungs­trennung sichtbar machten.

„Unsere Experimente werden erst durch die Kombination modernster Hoch­technologien ermöglicht“, sagt Wollenhaupt. Der gezielt erzeugte Elektronen­wirbel sei ein extremes Beispiel für Quanten­kontrolle – also dem Bestreben, komplexe physikalische Vorgänge auf mikroskopischer Ebene zu beherrschen. „Wir versuchen, eine chemische Reaktion mithilfe von Lasern gezielt zu steuern. Wir wollen der Natur also nicht nur zugucken, sondern das Geschehen aktiv manipulieren“, erklärt der Wissenschaftler. Möglicherweise könnten auf Basis dieser grundlegenden Forschung eines Tages bessere Energie­wandler, beispielweise effizientere Solaranlagen, gebaut werden.

Denkbar wäre auch eine Anwendung in der Pharmazie. Hier lautet das Stichwort chirale Moleküle. Diese molekularen Zwillinge sehen sich zum Verwechseln ähnlich, verhalten sich in Reaktionen allerdings sehr unterschiedlich. So riecht der Duftstoff Carvon beispielsweise – je nachdem um welchen der beiden Zwillinge es sich handelt – entweder nach Kümmel oder nach Minze. Eine genaue Analyse, mit welcher Art man es zu tun hat, ist für die Pharma­industrie extrem wichtig. Mithilfe der ultrakurzen Laserpulse können Forscher die verschiedenen Varianten eines chiralen Moleküls identifizieren. Das Licht löst die Abgabe von Elektronen aus. In welche Richtung diese fliegen, gibt Aufschluss darüber, um welche Variante eines chiralen Moleküls es sich handelt.

U. Oldenburg / DE

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