Elektronenpulse mit dem richtigen Dreh

Als eine Grundeigenschaft des Elektrons spielt der Spin eine entscheidende Rolle in der elektronischen Struktur der Materie, von Molekülen und Atomen bis zu Feststoffen, wobei er beispiels­weise die magnetischen Materie­eigenschaften bestimmt. Ultrakurze Elektronen­pulse sind einzig­artige Werkzeuge, um Materialien zu untersuchen – sowohl deren Struktur als auch Dynamik – und eröffnen ein reiches Feld der ultra­schnellen Bild­gebung mittels Beugung. Da der Elektronenspin eine wesentliche Variable bei der Beugung darstellt, würden ultrakurze Pulse spin­polarisierter Elektronen diesem Feld eine völlig neue Dimension hinzufügen. Aber wo könnte man solche Pulse erhalten?

Eine Möglichkeit liegt darin, die Ionisation in starken Laserfeldern zu nutzen. Dieser Prozess erzeugt von Natur aus Elektronen in ultra­kurzen Stößen. Die Bursts dauern nur einen kleinen Bruchteil der Laserperiode an, wenn sie von den Grenzen des Bindungs­potentials freigesetzt werden. Aber wären diese Elektronen­bursts spin­polarisiert? Überraschender­weise ist diese Frage bis vor kurzem nie gestellt worden.

Diese Situation hat sich nun mit einer gemeinsamen experimentellen und theoretischen Arbeit geändert. Mit einem Gas aus Xenon-Atomen präsentieren die Forscher den ersten experimentellen Nachweis von Elektronen­spin­polarisation erzeugt durch Stark­feld­ionisation. Die gemessene Spin­polarisation erreichte Werte bis zu dreißig Prozent, wobei sich ihr Vorzeichen mit der Elektron­enenergie umkehrt. Diese Arbeit eröffnet die neue Dimension des Spins in der Stark­feld­physik. Sie ebnet den Weg für die Erzeugung von Sub-Femto­sekunden, spin­polarisierten Elektronen­pulsen mit zahlreichen Anwendungen, die sich von der Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Materie auf ultra­schnellen Zeitskalen bis hin zum Testen chiraler molekularer Systeme mit Sub-Femto­sekunden Zeit- und Sub-Ångström Raum­auflösung erstrecken.

Die Veröffentlichung zeigt auch, dass Spin­polarisation während der Laser-getriebenen Elektronen­rekollision mit dem Mutter-Ion wichtig ist, wenn solch eine Rekollision durch ein elliptisches Laserfeld herbeigeführt wird. Da bei der Laser-getriebenen Elektronen­kollision mit dem Mutter-Ion das Elektron vollständig durch das Laser­feld gesteuert wird, kann die Dynamik nun nicht nur mit Atto­sekunden zeitlicher und Ångström räumlicher Auflösung untersucht werden, sondern auch mit Spin-Empfindlichkeit. Dies würde es ermöglichen, chirale Moleküle mit Sub-Femto­sekunden Zeit­auflösung und Sub-Ångström Raum­auflösung zu untersuchen. Zudem ist die Spin­polarisation des heraus­gelösten Elektrons fest verbunden mit der Erzeugung des Mutter-Ions in einem anfänglich spin­polarisierten Zustand. Spin-Bahn-Kopplung führt dann zu internen ring­förmigen Elektronen- und Spinströmen.

FVB / DE