Quanten-Wettrennen erstmals gefilmt
Beobachtung des Auger-Effekts mit FLASH verbessert die Qualität von Freie-Elektronen Lasern.
Einem deutschen Team ist es erstmals gelungen, das Wettflug zweier Elektronen, die durch Laserstrahlung aus einem Atom befreit wurden, zu beobachten. Um die Bewegung der Elektronen innerhalb eine Zeitraumes von nur 50 Femtosekunden aufzulösen, verwendeten die Wissenschaftler der Universitäten Hamburg und Kiel sowie des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY die ultraschnelle Terahertz-Schmierbildkamera in Kombination mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH.
Abb.: Sebastian Bauch rechnet das Wettrennen von Elektronen nach. (Bild: S. Maack, CAU)
In den 1920er Jahren entdeckten unabhängig voneinander Lise Meitner und Pierre Auger ein bedeutsames Phänomen beim Photoeffekt: Bei Einstrahlung einer bestimmten Photonenenergie kann nicht nur ein sondern noch ein zweites Elektron aus dem Atom herausgelöst werden, ein Auger-Elektron. Falls sich dieses in die gleiche Richtung wie das erste bewegt, beginnt ein Wettrennen der beiden Elektronenwellen.
Dieses Wettrennen von zwei Elektronen ist extrem schnell. Es dauert zwischen einer und einhundert Femtosekunden. „Bis heute hat kein Experiment den Verlauf dieses Rennens ‚gefilmt’“, sagt Markus Drescher vom Institut für Experimentelle Physik der Universität Hamburg, Leiter des experimentellen Teils des Projekts. Der Schlüssel zu der erfolgreichen Beobachtung des Elektronenrennens war die Verwendung des Freie-Elektronen-Lasers FLASH bei DESY mit einer ultraschnellen Schmierbildkamera. Durch eine genaue Synchronisation der elektromagnetischen Felder des Lasers und der Kamera konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Bewegung der Elektronen und ihren gegenseitigen Energieaustausch rekonstruieren. Auf diese Weise wiesen sie nach, wie das Auger-Elektron das erste Elektron überholt.
Abb.: In der Schmierbildkamera überlagern XUV-Pulse von FLASH (blauer Strahl) mit vertikal-polarisierten Terahertzwellen (roter Strahl) in einem Gas-Target. Time-of-Flight-Spektrometer vermessen dann die entstehenden Photo- und Auger-Elektronen parallel und senkrecht zur THz-Polarisation. (Bild: DESY)
Am Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) versuchte die Forschungsgruppe um Michael Bonitz, die experimentellen Befunde mit Computersimulationen nachzubilden. „Wir haben verschiedene Erklärungen für die Beobachtungen geprüft“, erläutert Bonitz. „Schließlich konnte unser Doktorand Sebastian Bauch nachweisen, dass das Experiment tatsächlich das Wettrennen zweier Elektronen beobachtet hat.“
Die Ergebnisse erlauben es weiterhin, zentrale Eigenschaften der beteiligten Laserpulse zu bestimmen. In den letzten Jahren hat sich die Technologie der Freie-Elektronen-Laser schnell weiterentwickelt. In diesem Kontext sind die neu gewonnenen Resultate wichtig für eine Verbesserung der Qualität und Präzision zukünftiger Experimente mit Freie-Elektronen-Lasern.
CAU / OD
