Forschung

Quanteninterferenzen in Echtzeit

17.02.2020 - Neues Verfahren im extremen UV-Bereich zeigt Schwingungsmuster von Elektronen.

Einem Team um Frank Stienkemeier und Lukas Bruder von der Uni Freiburg ist es gelungen, ultra­schnelle Quanten­inter­ferenzen von Elektronen, die sich in der Atom­hülle von Edelgas­atomen befinden, in Echtzeit zu beobachten. Die Forscher beobach­teten dabei Schwingungen mit einer Perioden­dauer von nur etwa 150 Atto­sekunden. Um dies zu erreichen, regten sie Edelgas­atome mit eigens präpa­rierten Laser­pulsen an. Anschließend verfolgten sie die Reaktion der Atome mit einer neuen Mess­methode, mit der sie quante­nmecha­nische Effekte in Atomen und Molekülen in mit sehr hoher Zeit­auf­lösung unter­suchen können.

Zahlreiche chemische Reaktionen, wie zum Beispiel Bindungs­brüche in Molekülen, werden durch Bestrahlung mit Licht ausge­löst. Im ersten Moment nach der Absorp­tion des Lichts verändert sich die Struktur der Elektronen in der Atom­hülle, was den weiteren Verlauf der Reaktion maßgeb­lich beein­flusst. Die Veränderung läuft sehr schnell ab, die Zeit­skalen reichen bis in den Atto­sekunden­bereich. Bisher verwendete Spektro­skopie­techniken, die sicht­bare Laser­pulse verwenden, sind nicht schnell genug, um solche Prozesse verfolgen zu können. Deshalb entwickeln Forscher welt­weit neuartige Laser­quellen und entsprechende Spektro­skopie­techniken im extrem-ultra­violetten Licht­bereich sowie im Röntgen­bereich.

Das Team um Stienkemeier erweiterte eine aus dem sicht­baren Spektral­bereich bekannte Technik, die kohärente Pump-Probe-Spektro­skopie, auf den extrem-ultra­violetten Bereich. Dafür präparierten die Wissen­schaftler am Freie-Elektronen-Laser FERMI in Italien eine Sequenz, die aus zwei ultra­kurzen Laser­pulsen im extrem-ultra­violetten Bereich besteht. Beide Pulse hatten dabei einen genau bestimmten zeit­lichen Abstand sowie eine genau definierte Phasen­beziehung zuein­ander. Der erste Puls startet den Prozess in der Elektronen­hülle, den Pump-Prozess, der zweite Puls dient als Abfrage über den Zustand der Elektronen­hülle zu einem späteren Zeit­punkt. Durch gezielte Veränderung des zeit­lichen Abstands und der Phasen­beziehung konnten die Forscher Rück­schlüsse über die zeit­liche Entwick­lung in der Elektronen­hülle ziehen. „Die größte Heraus­forderung war, eine möglichst präzise Kontrolle über die Eigen­schaften der Puls­sequenz zu erlangen und die schwachen Signale mess­technisch zu isolieren“, erklärt Andreas Wituschek, der maß­geblich für die experi­men­telle Durch­führung verant­wort­lich war.

Die Forscher untersuchten unter anderem das Edelgas Argon. Bei diesem ergibt sich durch den Pump-Puls eine spezielle Konfi­gu­ra­tion zweier Elektronen inner­halb der Atom­hülle. Diese Konfi­gu­ra­tion zerfällt, indem ein Elektron das Atom innerhalb einer sehr kurzen Zeit verlässt und schluss­end­lich das Atom als Ion zurück­bleibt. Den Forschern gelang es zum ersten Mal, den direkten zeit­lichen Zerfall der Quanten­inter­ferenzen zu beobachten, während das eine Elektron das Atom verlässt. „Dieses Experiment bereitet den Weg für viele neue Anwendungen in der Unter­suchung von atomaren und molekularen Prozessen nach gezielter Anregung mit hoch­energe­tischer Strahlung im extrem-ultra­violetten Bereich“, sagt Bruder.

ALU / RK

Weitere Infos

 

Die nächste Generation der effizienten Lösung für die Gasanalyse von Pfeiffer Vacuum

OmniStar und ThermoStar sind kompakte Benchtop-Analysegeräte für Probengase die unter Atmosphärendruck vorliegen. Sie sind die perfekte Komplettlösung zur Gasanalyse, insbesondere bei chemischen Prozessen, in der Halbleiterindustrie,

Metallurgie, Fermentation, Katalyse, Gefriertrocknung und bei der Umweltanalyse. Die Analysesysteme bestehen aus Einlasssystem, Massenspektrometer PrismaPro, trocken verdichtender Membranvakuumpumpe MVP und Turbopumpe HiPace.

 

Pfeiffer Video

Erfahren Sie mehr über Analysegeräte

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

*Interior Permanent-Magnet

Pfeiffer HiScroll Pumpen Video

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

Elektromagnetik-Modellierung mit COMSOL in 18 Minuten

In diesem 18-minütigen WebSeminar lernen Sie die Grundlagen der Analyse elektromagnetischer Felder in Niederfrequenzanwendungen mit der COMSOL Multiphysics®-Software.

Mehr Informationen zum Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

 

Mehr Informationen

Elektromagnetik-Modellierung mit COMSOL in 18 Minuten

In diesem 18-minütigen WebSeminar lernen Sie die Grundlagen der Analyse elektromagnetischer Felder in Niederfrequenzanwendungen mit der COMSOL Multiphysics®-Software.

Mehr Informationen zum Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

 

Mehr Informationen