Karambolage im Atom
Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben die Doppelionisation von Argonatomen auf Attosekunden-Zeitskalen verfolgt.
Trifft ein intensiver Laserpuls auf ein Atom, kommt Bewegung in den Mikrokosmos. Nicht selten wird dann ein Elektron aus dem Atom herausgeschleudert und dieses ionisiert. Manchmal passiert aber auch noch mehr: nämlich eine „Doppelionisation“. Dann löst das Licht nicht nur ein sondern zwei Elektronen aus dem Atom heraus. Diesen Prozess hat jetzt ein Forscherteam um Physiker des Labors für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching erstmals mit Attosekunden-Genauigkeit verfolgt.
Abb.: Künstlerische Darstellung der nicht-sequenziellen Doppelionisation. Die aus Messdaten gewonnenen 3D-Reliefs auf dem Kreis stellen dar, wie sich die Geschwindigkeiten der beiden Elektronen für unterschiedliche Verläufe des elektrischen Feldes des anregenden Laserpulses verändern. Das mittige Relief ist die Summe dieser Einzelmessungen. Aus diesen Daten können die Forscher den genauen Verlauf der Doppelionisation ermitteln. (Bild: C. Hackenberger/LMU)
Der Vorgang erinnert an ein Billardspiel, bei dem eine Kugel nach einem Zusammenstoß mit einer weiteren in Bewegung versetzt wird. Ähnlich wie ein solcher Zusammenstoß verläuft eine nicht-sequenzielle Doppelionisation. Dabei reißt starkes Laserlicht ein Elektron aus einem Atom heraus, beschleunigt es zunächst vom Atomrumpf weg und dann wieder auf den Atomrumpf zu. Bei dem folgenden Zusammenstoß überträgt das Elektron einen Teil seiner Bewegungsenergie auf ein zweites Elektron, das dabei in einen angeregten Zustand versetzt und wenig später durch das elektrische Feld des Laserpulses aus dem Atomrumpf herausgelöst wird. Da ein Laserpuls üblicherweise viele optische Zyklen enthält, tragen zur nicht-sequenziellen Doppelionisation viele derartige Rekollisionen und Anregungen bei, was die Interpretation von Experimenten erschwert.
Jetzt ist es einem Team vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Zusammenarbeit mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (Heidelberg) und internationalen Partnern gelungen, eine solche Doppelionisation auf einen einzelnen Kollisionsprozess zu reduzieren und diesen auf Attosekunden-Zeitskalen zu verfolgen.
Dazu schickten die Wissenschaftler einen nur vier Femtosekunden langen Laserpuls auf Argonatome. Die Lichtwelle dieses Pulses verfügte über lediglich über einen Wellenberg und ein Wellental, also eine Schwingung. Durch das elektrische Feld des Lichts wurden die meisten Argonatome einfach ionisiert. Bei jedem tausendsten Atom fand jedoch die nicht-sequenzielle Doppelionisaton statt: Das elektrische Feld des Pulses beschleunigte das erste Elektron. Nach kurzer Zeit jedoch drehte sich das Feld um und beschleunigte das Teilchen zurück in Richtung Atomrumpf bis es schließlich wieder mit diesem kollidierte. Dieser Vorgang dauerte rund 1,8 Femtosekunden. Bei der Rekollision übertrug das Elektron Energie auf den Rumpf und versetzte ein zweites Elektron in einen angeregten Zustand. Rund 400 Attosekunden verblieb das zweite Teilchen dort bis es schließlich, kurz vor dem zweiten Wellenberg des Laserpulses, ebenfalls aus dem Atomrumpf herausgelöst wurde.
„Wir waren überrascht, dass das zweite Elektron schon 200 Attosekunden vor dem Maximum des zweiten Wellenbergs den Atomrumpf verließ“, erklärt Boris Bergues, Wissenschaftler im LAP-Team. Bis heute ging man davon aus, dass das Elektron den Atomrumpf erst beim Erreichen der maximalen Amplitude des Wellenbergs verlässt.
Mit ihren Beobachtungen haben die Garchinger Forscher einen wichtigen Einblick in dynamische Prozesse gewonnen, an denen mehrere Elektronen beteiligt sind. Diese Attosekunden-Dynamik ist vor allem für das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie wichtig. Auf Moleküle angewandt könnte die neue Beobachtungstechnik rund um das „Billardspiel“ im Mikrokosmos dazu beitragen, einen tieferen Einblick in das Zusammenspiel von Elektronen bei chemischen Reaktionen zu gewinnen.
TN/MPQ / PH
