Schaltbare Elektronenkorrelation

  • 09. September 2014

Elektrisches Feld entscheidet über wasserstoff- oder xenonähnliches Verhalten von Helium-Atomen.

Ein Heliumatom besteht aus einem doppelt geladenen Kern und zwei Elektronen. Die Existenz von zwei Elektronen führt zum Konzept der Elektronenkorrelation. Einem internationalen Forscherteam unter Beteiligung des Max-Born-Instituts in Berlin gelang es jetzt, das Auftauchen von Elektronenkorrelationen in Heliumatomen zu kontrollieren. Bei ausgeschalteter Korrelation verhält sich Helium wie ein Wasserstoffatom. Bei eingeschalteter Korrelation hingegen bestimmt die Wechselwirkung zwischen den beiden Elektronen über die Dynamik des Ionisationsprozesses.

Interferenz durch Elektronenkorrelation

Abb.: Ionisation von Heliumatomen, aufgenommen mit einem bildgebenden Detektor. Die Interferenzringe geben entweder die Knotenstruktur der angeregten elektronischen Wellenfunktion wieder oder die Wegunterschiede zum Detektor. Im ersteren Falle zeigt Helium das Verhalten von Wasserstoffatomen, bei dem Elektronenkorrelation keine Rolle spielt. Im zweiten Fall bestimmt die Elektronenkorrelation stark über die Ionisation. (Bild: MBI)

Die Forscher haben in ihrem Experiment Heliumatome durch die Absorption jeweils eines einzelnen Photons im ultravioletten Spektralbereich ionisiert. Das war möglich, weil sich die Atome durch Stöße mit energiereichen Elektronen in einer Entladungsquelle in einen langlebigen angeregten Zustand befanden. Die Energie des anregenden Photons reichte gerade zur Ionisation des Atoms aus: 99,9 Prozent der Photonenenergie dienten zur Überwindung der Bindungsenergie des Elektrons, nur 0,1 Prozent gingen in die Bewegungsenergie des nach der Ionisation befreite Elektrons. Die entstehenden Photoelektronen waren daher sehr langsam. Die Auftrefforte der Elektronen auf einem zweidimensionalen Detektor bilden dann ihre Geschwindigkeiten ab.

Je niedriger die kinetische Energie des Elektrons ist, desto größer ist seine De-Broglie-Wellenlänge. Ist die Energie des Elektrons klein genug, so ist die De-Broglie-Wellenlänge makroskopisch beobachtbar: Es kommt zur Bildung einer Reihe von Interferenzringen, wobei konstruktive und destruktive Interferenzen sich auf dem Detektor abwechseln. Frühere Experimente hatten bereits die Existenz von zwei verschiedenen Mechanismen für die Entstehung der Interferenzen zu Tage gefördert. Experimenten Wasserstoffatomen hatten gezeigt, dass die Interferenzen mit der Knotenstruktur der Wellenfunktion zusammenhängen kann. Experimenten mit größeren Atomen wie etwa Xenonatomen lieferten dagegen einen anderen Mechanismus: Hier sind die Interferenzen auch das Resultat von Unterschieden in der Länge möglicher Wege des Elektrons zum Detektor.

Bei den Experimenten mit Heliumatomen zeigen sich nun beide Mechanismen. Und schon eine kleine Änderung – weniger als ein Prozent – der Stärke eines angelegten, äußeren elektrischen Feldes reicht aus, um das beobachtete Interferenzmuster zu verändern. So lassen sich „wasserstoffähnliche“ Heliumatome, bei denen die Knotenstruktur der Wellenfunktion das Interferenzmuster bestimmt, in „xenonartige“ Heliumatome überführen, bei denen die auftauchende Elektronenkorrelation die „wasserstoffähnliche“ Wellenfunktion zerstört. Das Heliumatom eignet sich also als Nano-Labor für das kontrollierte Ein- und Ausschalten der Elektronenkorrelation.

FVB / RK

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