Explodierende Xenon-Cluster

Ein inter­nationales Forscherteam um Wissen­schaftler der Technischen Universität Berlin und der Universität Rostock konnte mit dem Röntgen­laser FLASH am Forschungs­zentrum DESY in Hamburg die ultraschnelle licht­getriebene Explosion von Nano­partikeln aus Xenon beobachten. Die Untersuchung dieser Xenon-Cluster liefert neue Einblicke in die fundamentale Wechsel­wirkung von intensivem Licht mit Materie.

„Cluster sind von grund­legender Bedeutung für diese Untersuchung“, erklären Daniela Rupp von der Tech­nischen Universität Berlin und Thomas Fennel von der Universität Rostock. „Sie weisen eine hohe Dichte auf und sind in der Gasphase gleichzeitig sehr gut von der Umgebung isoliert, wodurch eine ungestörte Analyse möglich wird.“ Die Forscher erzeugten die Cluster, indem sie kaltes Xenon-Gas unter Druck ins Vakuum bliesen. „Dabei kühlt das Gas weiter ab, so dass sich zunächst Tröpfchen bilden, die gefrieren und weiter zusammen­klumpen, ähnlich wie ein Hagelkorn“, beschreibt Rupp.

Diese etwa 400 Nanometer kleinen Xenon-Nano­partikel beschossen die Forscher mit den ultra­kurzen, intensiven FLASH-Laser­blitzen, die für einige billiardstel Sekunden eine Intensität von bis zu 500 Billionen Watt pro Quadrat­zentimeter erreichten, erläutert Rolf Treusch von DESY, Forschungs­koordinator bei FLASH. Zum Vergleich: Sonnenlicht hat auf dem Erdboden eine Intensität von etwa 0,1 Watt pro Quadratzentimeter. Der helle Strahlungs­blitz entriss den Xenon-Atomen im Cluster zahlreiche Elektronen und es bildete sich ein Plasma.

Die Physiker konnten in ihrer Versuchs­anordnung die Entwicklung indi­vidueller Xenon-Cluster verfolgen und deren Größe sowie die genaue Energie bestimmen, mit der sie getroffen wurden. „Dies wurde möglich, da wir sowohl Moment­aufnahmen der Cluster vor ihrer Zerstörung machen konnten, als auch die Ladungs­zustände der Bruchstücke nach der Explosion präzise vermessen", berichtet Rupp.

Bei diesen Unte­rsuchungen identi­fizierten die Wissen­schaftler unter anderem eine bislang nicht beachtete Heizung in dem Plasma: „Jedes Mal, wenn sich ein Elektron wieder mit einem Xenon-Atom verbindet, gibt es Energie an das umgebende Plasma ab”, erläutert Fennel. „Dadurch bekommen am Ende solche Xenon-Ionen, die nicht mit Elektronen rekom­binieren, prozentual mehr Energie – die Elektronen heizen diese Ionen quasi auf.” „Die Er­gebnisse lassen sich hervor­ragend mit der Theorie vereinbaren“, erklärt Fennel weiter. „Berücksichtigt man in der Theorie diese Rekombinations­heizung, beschreibt sie genau unsere Beo­bachtungen. In dieser Untersuchung ergänzen sich theo­retische Physik und Experimental­physik in ausge­zeichneter Weise.”

U Rostock / JOL