Attosekundenkino für Elektronenlöcher

Forscher können erstmals "live" verfolgen, wie sich die elektronischen Zustände im Inneren eines Moleküls verändern, das durch ein starkes Laserfeld ionisiert wird. Beim Ionisieren tritt ein Elektron aus dem Molekül aus und im zurückbleibenden Ion müssen sich die elektronischen Zustände neu ordnen. Dies passiert in unvorstellbar kurzen Zeitskalen - den Attosekunden. Forscher um Olga Smirnova vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie und vom National Research Council of Canada konnten diese Vorgänge mit Hilfe der so genannten "High Harmonic Generation Spectroscopy" aufzeichnen.

Die Forscher haben in einem Laserfeld ausgerichtete Kohlendioxid-Moleküle mit Laserpulsen von wenigen Femtosekunden Dauer beschossen. Eine Femtosekunde ist eine Millionstel Milliardstel Sekunde. Bei diesen kurzen Pulsen entsteht bei einer sehr hohen Laserleistung ein so starkes elektromagnetisches Feld, dass die Elektronen die Anziehungskraft des Atomkerns überwinden, sie "tunneln" ins Kontinuum sagen die Forscher dazu. Dadurch, dass sich das Laserfeld wellenförmig ändert, fliegen manche der Elektronen jedoch nicht davon, sondern schnipsen wie von einem Gummiband gehalten zurück und vereinigen sich wieder mit dem Ion. Bei der Wiedervereinigung geben die Elektronen die aufgenommene Energie in Form von Licht ab. Dieses Licht hat eine besondere Eigenschaft: Seine Frequenz entspricht ungeraden Vielfachen der eingestrahlten Frequenz; bis zum hundertfachen der Ausgangsfrequenz ist möglich. Hohe Harmonische nennen Physiker solche Frequenzvielfache. Es entstehen also innerhalb der Zeit eines eingestrahlten Femotsekundenpulses noch kürze Lichtblitze - mit kürzeren Wellenlängen -, die nur die Dauer von Attosekunden haben. Eine Attosekunden ist der tausendste Teil einer Femtosekunde.

Mit Hilfe dieses "Attosekundenkinos" konnten die Forscher nun verfolgen, wie sich das Elektronenloch, welches das ausgetretene Elektron hinterlassen hat, zeitlich und räumlich verändert. Die Forscher änderten dafür die Intensität der Femtosekunden-Lichtblitze und den Winkel, in welchem die Kohlendioxid-Moleküle beschossen wurden. Über die Intensität der entstandenen Hohen Harmonischen konnten sie ermitteln, aus welcher "Bahn" - also welchem Energieniveau - das Elektron stammte. Mit Hilfe einer Analyse der Harmonischen als Funktion der eingestrahlten Intensität der Femotosekundenpulse konnten die Forscher schließlich Aussagen darüber treffen, wo das Elektronenloch seinen Anfang nahm und wohin es wanderte.

Forschungsverbund Berlin e.V.


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Olga Smirnova et al.: High harmonic interferometry of multi-electron dynamics in molecules. Nature advance online publication 22 July 2009
  http://dx.doi.org/10.1038/nature08253

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