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Elektronen unter Kontrolle

Mithilfe ultrakurzer Lichtimpulse lassen sich Elektronen in Molekülen und Nanostrukturen auf Zeitskalen von Attosekunden steuern und beobachten.

  • Matthias F. Kling und Marc J. J. Vrakking
  • 01 / 2012 Seite: 25

Während sich die Atomkerne in Molekülen und Nano­strukturen typischerweise auf einer Zeitskala von Femtosekunden bewegen, läuft die Dynamik der viel leichteren Elektronen rund tausendmal schneller auf ­einer Zeitskala von Attosekunden ab, also 0,000 000 000 000 000 001 Sekunden! Dennoch erlauben es neue Techniken, diese Bewegungen zu steuern und sie zu filmen. Dies verspricht die gezielte Kontrolle von chemischen Reaktionen oder rein optische Schaltkreise. ...

Sehr schnelle Vorgänge lassen sich mit Kameras beobachten, deren Belichtungszeiten kürzer sind als die Zeitskala dieser Vorgänge. Bei einer fliegenden Gewehrkugel bedeutet dies, dass eine Belichtungszeit von einigen Mikrosekunden für ein scharfes Foto ausreicht. Im Gegensatz dazu bewegen sich bei chemischen Prozessen die Atomkerne in Molekülen typischerweise auf einer Zeitskala von Femtosekunden (1 fs = 10–15 s). Diese Bewegung konnte Ahmed Zewail erstmals zeitaufgelöst beob­achten – dafür erhielt er 1999 den Nobelpreis für Chemie [1]. Nochmal um Größenordnungen schneller bewegen sich Elektronen, da ihre Masse um einen Faktor 1836 kleiner ist als die eines Protons. Um dennoch die Bewegung von Elektronen zu „fotografieren“, benötigt die „Kamera“ eine Belichtungszeit im Bereich von Atto­sekunden (1 as = 10–18 s). Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums! Dennoch ist es 2001 gelungen, Attosekunden-Laserblitze zu erzeugen und nachzuweisen [2, 3]. Die Dauer dieser Lichtblitze wurde stetig verkürzt und hat 2008 mit 80 as den derzeitigen Rekord erreicht [4]. ... 

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