Vorstoß ins Innere der Atome

  • 27. February 2018

Erstmals Interaktion von Photonen in einem Atto­sekunden­puls mit Elek­tronen aus einer inneren atomaren Schale beob­achtet.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beob­achten möchte, der benötigt ultra­kurze und inten­sive Licht­blitze bei genügend hoher Photonen­energie. Seit über 15 Jahren wird welt­weit daran gearbeitet, genau das zu erreichen. Forscher der Uni München und des MPI für Quanten­optik in Garching haben es jetzt geschafft, diese Bedin­gungen zu erfüllen. In ihrem Experi­ment konnten sie erstmals die nicht­lineare Wechsel­wirkung eines Atto­sekunden­pulses mit Elek­tronen aus einer inneren Atom­schale beob­achten. Möglich wurde dieser Fort­schritt durch eine neu ent­wickelte Quelle für Atto­sekunden-Licht­blitze.

Attosekunden-Puls

Abb.: Nachdem zwei Photonen eines Atto­sekunden-Licht­blitzes (lila) ein Xenon­atom getroffen haben, lösen sich mehrere Elek­tronen (kleine grüne Kugeln). Das Atom wird ioni­siert. Diese Zwei-Photonen-Inter­aktion wird durch neue Atto­sekunden-Techno­logie möglich. (Bild: C. Hacken­berger)

Das experimentelle Verfahren zum Filmen der Elektronen­bewegung ist als „Pump-Probe-Verfahren“ bekannt. Dabei wird das Atom mit einem Photon aus einem ersten kurzen Pump-Puls zu einer Bewe­gung ange­regt und nach kurzer Ver­zöge­rung mit einem weiteren Photon aus einem Probe­puls foto­gra­fiert. Damit das funk­tio­niert, müssen die Photonen so dicht gepackt sein, dass das Atom zwei­mal hinter­ein­ander getroffen werden kann. Um Elek­tronen in inneren atomaren Schalen erreichen zu können, muss die Photonen­energie zudem im oberen Bereich des extremen ultra­vio­letten Licht­spektrums liegen. Bis jetzt war es nicht gelungen, Atto­sekunden­pulse in diesem Spektral­bereich mit einer genügend großen Anzahl an Photonen zu erzeugen.

Die neue Technologie basiert auf der Hochskalierung herkömmlicher Quellen für Atto­sekunden-Licht­blitze. Der dazu not­wendige Hoch­leistungs­laser, ent­wickelt von einem Team um Laszlo Veisz, erzeugt infra­rote Laser­pulse mit nur einigen Wellen­zyklen und rund hundert Mal mehr Photonen pro Puls als in her­kömm­lichen Systeme. Um einen Faktor 100 größer sind dem ent­sprechend auch die Photonen­zahlen der damit erzeugten Atto­sekunden­pulsen.

In einem ersten Experiment ließen die Forscher die hoch­energe­tischen Atto­sekunden­pulse auf Xenon-Atome treffen. Gelangen die Photonen zu den inneren Elek­tronen der Xenon-Atome, schlagen sie Elek­tronen heraus und ioni­sieren die Atome. Mithilfe eines Ionenmikroskops zur Detektion der erzeugten Ionen konnten die Wissenschaftler erstmals eine Wechselwirkung von zwei Photonen aus einem Atto­sekunden­puls mit Elek­tronen aus inneren atomaren Schalen beob­achten. Bisher war in der Atto­sekunden­physik nur die Inter­aktion eines ein­zelnen XUV-Photons mit Inner­schalen-Elekt­ronen möglich.

„Die zwei XUV-Lichtblitze ermöglichen es, Elektronen­bewegung im Inneren der Atome zu filmen, ohne diese zu beein­träch­tigen“, erklärt Boris Bergues, der Leiter der Experi­mente. Bisher regte man Elek­tronen in inneren Atom­schalen mit einem ein­zigen Photon aus einem XUV-Atto­sekunden-Licht­blitz an und foto­gra­fierte anschlie­ßend das Geschehen mit einem längeren infra­roten Licht­puls. Dabei beein­flusste man aller­dings die Elek­tronen­bewe­gung beträcht­lich. „Die Elek­tronen­dynamik in den inneren Schalen ist beson­ders spannend, weil sie durch ein komplexes Zusammen­spiel mehrerer wechsel­wirkender Elek­tronen gekenn­zeichnet ist“, erklärt Bergues. „Diese Dynamik wirft noch sehr viele Fragen auf, denen wir nun mit der neu geschaf­fenen Laser­technik nach­gehen können.“ Als nächstes planen die Wissen­schaftler ein Experi­ment in dem sie den inten­siven Atto­sekunden­puls jeweils in ein Pump- und ein Probe­puls auf­spalten, um damit die beob­achtete Inter­aktion zeit­lich auf­zu­lösen.

MPQ / RK

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