Nanobläschen in Nanotröpfchen

Einem Team um Prof. Dr. Frank Stienkemeier vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg und Dr. Marcel Mudrich von der Universität Aarhus/Dänemark, ist es gelungen, die ultraschnelle Reaktion von Nanotröpfchen aus Helium nach Anregung mit extremer ultravioletter Strahlung (XUV) durch einen so genannten Frei-Elektronen-Laser in Echtzeit zu verfolgen. Die Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Laser für hochintensive und ultrakurze XUV sowie Röntgenstrahlung eröffnen Forschenden neue Möglichkeiten, um die grundlegenden Eigenschaften von Materie genau zu untersuchen. Bei vielen der dafür stattfindenden Experimente sind Materialproben im Nanometerbereich von besonderem Interesse. Einige Wissenschaftler verwenden dabei nanometergrosse Heliumtröpfchen als Transportmittel, um eingebettete Moleküle und molekulare Strukturen zu untersuchen. Diese sind dafür ideal geeignet, weil sie außergewöhnliche Eigenschaften besitzen: Sie haben eine extrem niedrige Temperatur von nur 0,37 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt und können sich reibungslos bewegen, weshalb sie als Supraflüssigkeit gelten. Zudem sind Heliumtröpfchen an chemischen Vorgängen der eingebetteten Moleküle meist nicht beteiligt und für infrarotes sowie sichtbares Licht völlig transparent.

Wie das supraflüssige Tröpfchen selbst reagiert, wenn es direkt von einem intensiven XUV Laserpuls getroffen wird, wollte nun das Team um Stienkemeier und Mudrich herausfinden. Dafür nutzten die Forschenden den derzeit weltweit einzigen so genannten geseedeten, also einem laser-gesteuerten, Freie-Elektronen-Laser FERMI in Triest/Italien, der wellenlängenabstimmbare hochintensive XUV-Pulse liefert. Gestützt von Modellrechnungen identifizierten die Wissenschaftler dadurch drei elementare Reaktionsschritte: eine sehr schnelle Lokalisierung von Elektronen, die Besetzung metastabiler Zustände sowie die Bildung einer Hohlraumblase, die schließlich an der Oberfläche der Tröpfchen zerplatzt und dabei ein einzelnes angeregtes Heliumatom ausstößt.

„Es ist uns erstmalig gelungen, diese Prozesse im supraflüssigen Helium, die in extrem kurzer Zeit ablaufen, direkt zeitlich zu verfolgen“ sagt Mudrich. „Die Ergebnisse helfen zu verstehen, wie Nanopartikel mit energetischer Strahlung wechselwirken und zerfallen“, ergänzt Stienkemeier. „Das ist eine nötige Grundlage für die Arbeiten zur direkten Abbildung einzelner Nanopartikel“, erklärt der Freiburger Physiker, „wie sie an neuen intensiven Strahlungsquellen wie zum Beispiel dem europäischen Röntgenlaser XFEL in Hamburg vorangetrieben werden“.

Originalpublikation:
Mudrich, M., LaForge, A., Ciavardini, A., O'Keeffe, P., Callegari, C., Coreno, M., Demidovich, A., Devetta, M., Di Fraia, M., Drabbels, M., Finetti, P., Gessner, O., Grazioli, C., Hernando, A., Neumark, D., Ovcharenko, Y., Piseri, P., Plekan, O., Prince, K., Richter, R., Ziemkiewicz, M., Möller, T., Eloranta, J., Pi, M., Barranco, M., Stienkemeier, F. (2020): „Ultrafast relaxation of photoexcited superfluid He nanodroplets“ In: Nature Communications 11.
DOI: 10.1038/s41467-019-13681-6