Nanoplasmen unter Beschuss

Die Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Partikeln auf einer Nanometer-Skala resultiert in der Erzeugung eines expandierenden Nanoplasmas. In der Vergangenheit hat man die Dynamik eines Nanoplasmas typischerweise durch klassische Phänomene wie die thermische Emission von Elektronen beschrieben. Im Gegensatz dazu demonstriert eine neue Studie über die Wechselwirkung von intensiven nah-infraroten (NIR) Laserpulsen mit molekularen Sauerstoff-Clustern, dass Phänomene eine wichtige Rolle spielen, die sich nur quanten­mechanisch beschreiben lassen.

Zum ersten Mal ist nun ein Beweis dafür gefunden, dass autoionisierende Zustände in Nanoplasmen auf effiziente Weise entstehen. Autoionisation dieser sogenannten super­angeregten Zustände in atomarem Sauerstoff lässt sich direkt auf einer Nanosekunden-Zeitskala beobachten, während für Prozesse, die auf kürzeren Zeitskalen stattfinden, indirekte Spuren sichtbar sind. Auto­ionisation kann man in verschiedenen Clustern beobachten, und es wird erwartet, dass diese Prozesse auch wichtig sind für die Wechselwirkung von endlichen Systemen mit intensiven extrem-ultravioletten (XUV) und Röntgenpulsen von neuartigen Freie-Elektronen Lasern.

Als Folge der Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Clustern zeigen die gemessenen Elektronen­spektren typischerweise eine kontinuierliche Verteilung. In der Vergangenheit führte das Fehlen von Spuren diskreter Zustände zu der Schluss­folgerung, dass die Dynamiken von geladenen Partikeln während der Cluster-Expansion gut durch ein vollständig klassisches Verhalten beschrieben werden können. Eine Auswirkung davon ist, dass Simulationen, die die Wechselwirkung von intensiven Lasern mit Clustern, Nanopartikeln oder großen Molekülen modellieren, oft auf quasiklassische Ansätze zurückgreifen.

Mit dem Aufkommen neuer Laserquellen und zeit­aufgelöster Techniken innerhalb des letzten Jahres begann dieses Bild zu wackeln. Kürzlich wurde über eine effiziente Erzeugung von angeregten Atomen in Nano­plasmen berichtet, die durch Elektronen-Ionen Rekombination ausgelöst wird. Wenn ein Atom mit zwei Elektronen in angeregten Zuständen entsteht, kann es durch Elektronen-Korrelation zerfallen, wobei ein Elektron in das Kontinuum emittiert wird, während das zweite Elektron in einen niedrigeren gebundenen Zustand relaxiert. Da jedoch die Elektronen, die in einem solchen Autoionisations-Prozess emittiert werden, kinetische Energie mit der Cluster-Umgebung austauschen, waren diese bisher nicht in Experimenten beobachtet worden.

Eine Kollaboration angeführt von Wissenschaftlern des Max-Born-Instituts berichtet nun über den ersten Beweis für Autoionisation als Folge der Wechselwirkung zwischen intensiven NIR-Laserpulsen und Clustern. Bernd Schütte, Marc Vrakking und Arnaud Rouzée sowie ihre Kollegen Jan Lahl, Tim Oelze und Maria Krikunova von der TU Berlin haben Sauerstoff-Clustern untersucht. Sie wählten dieses System, weil bereits bekannt war, dass Sauerstoff-Atome langlebige autoionisierende Zustände aufweisen. Sie konnten deutliche Peaks im Elektronen-Spektrum von Sauerstoff-Clustern beobachten, die mit intensiven NIR-Pulsen ionisiert wurden. Diese Peaks konnten sie gut bekannten autoionisierenden Zuständen zuordnen und außerdem zeigen, dass sie auf einer Nanosekunden-Zeitskala zerfallen, wenn sich der Cluster bereits deutlich ausgedehnt hat. Deshalb war der Einfluss der Umgebung auf die Elektronen, die als Folge der Auto­ionisation emittiert wurden, vernachlässigbar.

Die beobachteten Beiträge der Autoionisation waren sehr empfindlich bezüglich der Intensität des NIR-Laserpulses. Bei größeren Intensitäten wurden die Autoionisations-Peaks verschmiert, waren jedoch immer noch sichtbar. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Auto­ionisation in vielen Experimenten eine wichtige Rolle spielt, in denen die Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Partikeln auf einer Nanometer-Skala untersucht wird – selbst dann, wenn diese Prozesse nicht direkt im Elektronen-Spektrum sichtbar sind. Bereits zuvor wurde gezeigt, dass die beobachtete Nanoplasma-Dynamik als Folge intensiver XUV- und NIR-Ionisation von Clustern ähnlich sind, weshalb erwartet wird, dass die aktuellen Ergebnisse auch eine hohe Relevanz für Experimente an neuartigen Freie-Elektronen Lasern haben. Die experimentellen Funde der Autoionisation sind zudem wichtig, um theoretische Modelle von Nanoplasmen in der Zukunft zu verbessern und so ein besseres Verständnis über die zugrunde­liegenden mikroskopischen Prozesse zu gewinnen.

FVB / DE