Ein Taktstock für Elektronenpaare

  • 22. December 2014

Die beiden Elektronen im Helium lassen sich mit Hilfe exakt abgestimmter Laserpulse gemeinsam manipulieren.

Physiker verfeinern zusehends ihre Kontrolle über die Materie. Ein deutsch-spanisches Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg hat nun erstmals die Bewegung der beiden Elektronen eines Heliumatoms abgebildet und den elektronischen Paartanz sogar gesteuert. Gelungen ist dies den Wissenschaftlern mit unterschiedlichen Laserblitzen, die sie zeitlich sehr genau aufeinander abstimmten. Dabei verwendeten sie neben sichtbaren Lichtblitzen auch ultraviolette Pulse von nur einigen Hundert Attosekunden. Die Manipulation der Bewegung von Elektronenpaaren ist nicht zuletzt für die Chemie interessant: Wenn man die gepaarten Bindungs­elektronen in Molekülen mit Laserpulsen verschieben könnte, ließen sich möglicherweise Substanzen erzeugen, die sich mit üblichen chemischen Mitteln nicht herstellen lassen.

Abb.: Die pulsierende Bewegung des Elektronpaars in einem Heliumatom gefilmt: Bei 15,3 Femtosekunden befinden sich beide Elektronen dicht am Kern (Zentrum des Bildes) und entfernen sich dann von ihm. Bei 16,3 Femtosekunden erreichen sie wieder ihre Ausgangsposition; sie bewegen sich also im Takt von etwa einer Femtosekunde. (Bild: MPIK)

Abb.: Die pulsierende Bewegung des Elektronpaars in einem Heliumatom gefilmt: Bei 15,3 Femtosekunden befinden sich beide Elektronen dicht am Kern (Zentrum des Bildes) und entfernen sich dann von ihm. Bei 16,3 Femtosekunden erreichen sie wieder ihre Ausgangsposition; sie bewegen sich also im Takt von etwa einer Femtosekunde. (Bild: MPIK)

Wenn Elektronen sich bewegen, verändern sich die Bereiche ihrer größten Aufenthaltswahrscheinlichkeit. In manchen Zuständen der Elektronen geschieht dies in einem Pulsieren mit regelmäßigem Takt. Genau diese pulsierende Bewegung haben Wissenschaftler um Thomas Pfeifer, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik nun in der Bilderserie eines Heliumatoms festgehalten. Dabei verfolgten sie, wie das Elektronenpaar in einem Moment nahe um den Atomkern tanzt und sich im nächsten Augenblick etwas von ihm entfernt. Mit der bloßen Beobachterrolle begnügten sich die Forscher jedoch nicht, sondern griffen auch aktiv in die Choreografie der Elektronen ein. So gaben sie gewissermaßen den Rhythmus des elektronischen Paartanzes vor. „Die Bewegung einzelner Elektronen im Atom hat man bereits häufiger abgebildet und auch manipuliert“, sagt Christian Ott. „Wir haben dies nun für ein kurzzeitig gebundenes Elektronenpaar erreicht.“

Das Verhalten von zwei Elektronen in einer konzertierten Aktion zu analysieren und zu steuern, ist zum einen für Physiker hilfreich, die besser verstehen möchten, wie Atome und Moleküle mit Licht wechselwirken. Denn dabei mischen meist zwei oder mehr Elektronen mit. Zum anderen ist es für die Chemie nützlich, Elektronenpaare dirigieren zu können. Denn die typische chemische Bindung besteht aus genauso einem Elektronenpaar, sodass Chemiker fast immer mindestens zwei Elektronen bewegen müssen, wenn sie eine molekulare Verbindung knüpfen oder lösen möchten.

Um die Choreografie der Elektronen in einem Heliumatom zu filmen und zu steuern, schickten die Heidelberger Physiker zwei Laserpulse durch eine Zelle mit Heliumgas. Dabei kommt es nicht nur auf die Energie der Blitze an, sondern auch auf deren Intensität und auf den Abstand zwischen ihnen. Mit einem ultravioletten Blitz beförderten die Forscher die Elektronen des Heliums zunächst in den ultraschnell pulsierenden Zustand. Dies gelang ihnen aber nur, weil die Dauer dieses Blitzes kürzer ist als eine Femtosekunde. Solange benötigt das Elektronenpaar für einen Zyklus der pulsierenden Bewegung, in der sich das Paar erst näher am Kern befindet, sich dann davon entfernt und wieder zum Kern zurückkehrt.

Mithilfe eines schwachen sichtbaren Laserpulses ermittelten sie dann, wo die Elektronen gerade tanzten. Und indem sie den Abstand zwischen dem ultravioletten Attosekunden-Puls und dem sichtbaren Puls variieren, drehen sie gewissermaßen einen Film des Elektronentanzes. „Dabei bilden wir zwar nicht direkt ab, wo sich die Elektronen aufhalten“, erklärt Thomas Pfeifer. „Der sichtbare Puls liefert uns aber die relative Phase des Überlagerungs­zustandes.“ Dies gibt Auskunft darüber, an welcher Stelle ihres natürlichen Partnertanzes um das Heliumatom sich die Elektronen gerade befinden.

Um die Tanzfiguren zu ermitteln, nutzte das Heidelberger Team Erkenntnisse früherer Arbeiten. Damit bestimmten sie, wo sich die Elektronen aufhalten, wenn sie sich nicht bewegen. „Mit der hier gemessenen Information über die Phase und mit dem vorhandenen Vorwissen rekonstruieren wir, wo sich die Elektronen befinden“, so Pfeifer. Dabei halfen ihm und seinen Mitarbeitern theoretische Modelle, mit denen sie auch den Elektronentanz und die Wirkung der Laserpulse simulierten.

Simulationen brauchten die Heidelberger Physiker auch, um den zweiten Teil ihrer Experimente zu interpretieren. Dabei diente ihnen der sichtbare Laserpuls nicht mehr nur als Kamera, sondern als Steuerhilfe für die pulsierende Elektronenbewegung. Wenn sie nämlich die Intensität des Blitzes erhöhten, verschoben sich die Zeitpunkte, zu denen sich die Elektronen nahe am Atomkern beziehungsweise weiter weg davon aufhalten. Wie sich der Rhythmus und damit die Choreographie des Elektronentanzes änderten, hielten die Forscher ebenfalls in einer Bildsequenz fest.

Bisher konnten Thomas Pfeifer und seine Kollegen noch nicht alle Details erklären, die sie in den Experimenten mit intensiven Laserblitzen beobachteten. Das wollen sie nun mit umfassenderen Untersuchungen, wie diese Pulse wirken, ändern. In künftigen Experimenten möchten sie zudem das weitere Schicksal des Elektronenpaares genau verfolgen. Der Elektronentanz im Überlagerungszustand endet nämlich damit, dass einer der beiden Partner aus dem Atom geschleudert wird und das Atom folglich ionisiert wird. Solche Ionisationen spielen ebenfalls bei vielen chemischen Reaktionen eine Rolle. Solche wilden Tänze zweier Elektronen besser zu verstehen, könnte Chemikern also Erkenntnisse bringen, wie sich eine Reaktion in eine gewünschte Richtung lenken lässt. Spätestens dann dürfte die Attosekunden-Physik auch zu einem Werkzeug der Chemie werden.

MPIK / DE

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