Ein Quantenzeiger für die Laseruhr
Neue Methode untersucht gleichzeitig die Bewegung von Elektronen und Atomkernen.
Was passiert genau, wenn ein Molekül auseinanderbricht? Solche Phänomene kann man mit kurzen Laserpulsen untersuchen. Doch bei diesen Experimenten stößt man auf ein großes Problem: Man hat es mit sehr unterschiedlichen Zeitskalen zu tun. Die Elektronen bewegen sich so schnell, dass man sie auf einer Skala von Attosekunden untersuchen muss. Die schwereren Teilchen des Moleküls hingegen bewegen sich innerhalb einer Attosekunde fast überhaupt nicht. Wenn sie sich voneinander fortbewegen und das Molekül schließlich auseinanderbricht, kann man diese Dynamik nur auf einer viel größeren Zeitskala beobachten.
Forscher der TU Wien haben jetzt eine Methode entwickelt, die beide Zeitskalen gleichzeitig zugänglich macht. Dafür wird ein elliptisch polarisierter Laserpuls verwendet, bei dem die Richtung des elektrischen Feldes wie der Zeiger einer Uhr rotiert. Die Dauer des Laserpulses ist lang genug, um das vergleichsweise langsame Auseinanderbrechen des Moleküls abbilden zu können, aber die Rotation des elektrischen Feldes – der Zeiger der Uhr – rotiert so schnell, dass man ihn als Zeitreferenz für die ultraschnelle Dynamik der Elektronen verwenden kann
„In unserem Experiment schießen wir mit einem Laserpuls auf ein Wasserstoffmolekül“, erklärt Markus Kitzler-
Weil jedes Proton aber ungefähr 1836-mal schwerer ist als ein Elektron, bewegen sie sich viel langsamer. Die zeitliche Entwicklung der langsameren Protonenbewegung lässt sich, wie das Forschungsteam zeigen konnte, aus der Energie der Protonen nach dem Molekülaufbruch ablesen. „Wir konnten zeigen, wie die Energie der Protonen mit der Kreisbewegung des Polarisationszeigers zusammenhängt“, sagt Kitzler-
Nach den Gesetzen der Quantenphysik hat jedes Teilchen auch Welleneigenschaften – das gilt auch für die Protonen im Molekül. Mit der neuen Methode ist es nun möglich, die Quantenwelle der Protonen mit bemerkenswerter Genauigkeit zu messen. „Wir können die Quantenwelle mit einer Auflösung von einem Pikometer messen, das ist ein Hundertstel vom Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Die zeitliche Auflösung der Methode mit der Rotation des Lichtfelds ist ebenfalls sehr hoch und liegt bei wenigen Attosekunden.“, sagt Kitzler-
„Unser Experiment zeigt, dass die Methode funktioniert: Man kann elliptisch polarisierte Laserpulse verwenden, um elektronische und atomare Dynamik gleichzeitig sichtbar zu machen“, so Kitzler-
TU Wien / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung:
V. Hanus et al.: Subfemtosecond tracing of molecular dynamics during strong-field interaction, Phys. Rev. Lett. 123, 263201 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.263201 - Ultra Fast Laser Group, Institut für Photonik, Technische Universität Wien, Österreich