Elektronen unter Kontrolle

Sehr schnelle Vorgänge lassen sich mit Kameras beobachten, deren Belichtungszeiten kürzer sind als die Zeitskala dieser Vorgänge. Bei einer fliegenden Gewehrkugel bedeutet dies, dass eine Belichtungszeit von einigen Mikrosekunden für ein scharfes Foto ausreicht. Im Gegensatz dazu bewegen sich bei chemischen Prozessen die Atomkerne in Molekülen typischerweise auf einer Zeitskala von Femtosekunden. Nochmal um Größenordnungen schneller bewegen sich Elektronen, da ihre Masse um einen Faktor 1836 kleiner ist als die eines Protons. Um dennoch die Bewegung von Elektronen zu „fotografieren“, benötigt die „Kamera“ eine Belichtungszeit im Bereich von Attosekunden, also 0,000 000 000 000 000 001 Sekunden. Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums! Dennoch ist es bereits vor einigen Jahren gelungen, Attosekunden-Laserblitze zu erzeugen und nachzuweisen. Mithilfe der Frequenzkamm-Technologie ist es inzwischen auf einfache Weise möglich, die Wellenform der Laserpulse und damit die Kraft, das auf Elektronen in Molekülen und Nanostrukturen wirkt, zu verändern.

Wie Matthias Kling und Mark Vrakking in der Januarausgabe des Physik Journal zeigen, lässt sich mit solchen Laserpulsen die sehr schnelle Elektronendynamik „filmen“ oder sogar kontrollieren. Das präsentierte Beispiel zur Dissoziation von Wasserstoffmolekülen (H₂ bzw. D₂) unterstreicht eindrucksvoll die Möglichkeit, chemische Reaktionen gezielt zu beeinflussen. Solche Laserpulse erlauben es auch, wie die Autoren in einem zweiten Beispiel zeigen, die Emission und Beschleunigung von Elektronen aus dielektrischen Nanopartikeln zu kontrollieren. Damit einher geht ein großes Potenzial für rein optische Schaltkreise.