Elektronen in schneller Bewegung

Einem Team um Prof. Dr. Frank Stienkemeier und Dr. Lukas Bruder vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg ist es gelungen, ultraschnelle Quanteninterferenzen — also Schwingungsmuster — von Elektronen, die sich in der Atomhülle von Edelgasatomen befinden, in Echtzeit zu beobachten. Sie beobachteten dabei Schwingungen mit einer Periodendauer von nur etwa 150 Attosekunden – eine Attosekunde ist der milliardste Teil einer Milliardstelsekunde. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler regten dafür 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. Ihre Ergebnisse stellen die Forschenden in der aktuellen Ausgabe von Nature Communications vor.

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. Diese 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 Forschende 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 so genannte Kohärente Pump-Probe-Spektroskopie, auf den extrem-ultravioletten Bereich. Das ist der spektrale Bereich zwischen Röntgenstrahlung und ultraviolettem Licht. Dafür präparierten die Wissenschaftler am Freie-Elektronen-Laser FERMI in Triest/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, was der so genannte Probe-Prozess ist. Durch gezielte Veränderung des zeitlichen Abstands und der Phasenbeziehung konnten die Forschenden 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 Freiburger Physikerinnen und Physiker 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 Forschenden 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.

Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen der internationalen Graduiertenschule „CoCo“, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingerichtet wurde, sowie über die Projekte „COCONIS“ vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und „LoKoFEL“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Originalpublikation:
Wituschek A., Bruder L., Allaria E., Bangert U., Binz M., Borghes R., Callegari C., Cerullo G., Cinquegrana P., Giannessi L., Danailov M., Demidovich A., Di Fraia M., Drabbels M., Feifel R., Laarmann T., Michiels R., Mirian N.S., Mudrich M., Nikolov I., O’Shea FH., Penco G., Piseri P., Plekan O., Prince K.C., Przystawik A., Ribič P.R., Sansone G., Sigalotti P., Spampinati S., Spezzani C., Squibb R.J., Stranges S., Uhl D. & Stienkemeier F. (2020):Tracking attosecond electronic coherences using phase-manipulated extreme ultraviolet pulses. In: Nature Communications 11, 883 (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-14721-2