Quanteninterferenzen in Echtzeit

Einem Team um Frank Stienkemeier und Lukas Bruder von der Uni Freiburg ist es gelungen, ultra­schnelle Quanten­inter­ferenzen von Elektronen, die sich in der Atom­hülle von Edelgas­atomen befinden, in Echtzeit zu beobachten. Die Forscher beobach­teten dabei Schwingungen mit einer Perioden­dauer von nur etwa 150 Atto­sekunden. Um dies zu erreichen, regten sie Edelgas­atome mit eigens präpa­rierten Laser­pulsen an. Anschließend verfolgten sie die Reaktion der Atome mit einer neuen Mess­methode, mit der sie quante­nmecha­nische Effekte in Atomen und Molekülen in mit sehr hoher Zeit­auf­lösung unter­suchen können.

Zahlreiche chemische Reaktionen, wie zum Beispiel Bindungs­brüche in Molekülen, werden durch Bestrahlung mit Licht ausge­löst. Im ersten Moment nach der Absorp­tion des Lichts verändert sich die Struktur der Elektronen in der Atom­hülle, was den weiteren Verlauf der Reaktion maßgeb­lich beein­flusst. Die Veränderung läuft sehr schnell ab, die Zeit­skalen reichen bis in den Atto­sekunden­bereich. Bisher verwendete Spektro­skopie­techniken, die sicht­bare Laser­pulse verwenden, sind nicht schnell genug, um solche Prozesse verfolgen zu können. Deshalb entwickeln Forscher welt­weit neuartige Laser­quellen und entsprechende Spektro­skopie­techniken im extrem-ultra­violetten Licht­bereich sowie im Röntgen­bereich.

Das Team um Stienkemeier erweiterte eine aus dem sicht­baren Spektral­bereich bekannte Technik, die kohärente Pump-Probe-Spektro­skopie, auf den extrem-ultra­violetten Bereich. Dafür präparierten die Wissen­schaftler am Freie-Elektronen-Laser FERMI in Italien eine Sequenz, die aus zwei ultra­kurzen Laser­pulsen im extrem-ultra­violetten Bereich besteht. Beide Pulse hatten dabei einen genau bestimmten zeit­lichen Abstand sowie eine genau definierte Phasen­beziehung zuein­ander. Der erste Puls startet den Prozess in der Elektronen­hülle, den Pump-Prozess, der zweite Puls dient als Abfrage über den Zustand der Elektronen­hülle zu einem späteren Zeit­punkt. Durch gezielte Veränderung des zeit­lichen Abstands und der Phasen­beziehung konnten die Forscher Rück­schlüsse über die zeit­liche Entwick­lung in der Elektronen­hülle ziehen. „Die größte Heraus­forderung war, eine möglichst präzise Kontrolle über die Eigen­schaften der Puls­sequenz zu erlangen und die schwachen Signale mess­technisch zu isolieren“, erklärt Andreas Wituschek, der maß­geblich für die experi­men­telle Durch­führung verant­wort­lich war.

Die Forscher untersuchten unter anderem das Edelgas Argon. Bei diesem ergibt sich durch den Pump-Puls eine spezielle Konfi­gu­ra­tion zweier Elektronen inner­halb der Atom­hülle. Diese Konfi­gu­ra­tion zerfällt, indem ein Elektron das Atom innerhalb einer sehr kurzen Zeit verlässt und schluss­end­lich das Atom als Ion zurück­bleibt. Den Forschern gelang es zum ersten Mal, den direkten zeit­lichen Zerfall der Quanten­inter­ferenzen zu beobachten, während das eine Elektron das Atom verlässt. „Dieses Experiment bereitet den Weg für viele neue Anwendungen in der Unter­suchung von atomaren und molekularen Prozessen nach gezielter Anregung mit hoch­energe­tischer Strahlung im extrem-ultra­violetten Bereich“, sagt Bruder.

ALU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Wituschek et al.: Tracking attosecond electronic coherences using phase-manipulated extreme ultraviolet pulses, Nat. Commun. 11, 883 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-14721-2
• Molekül- und Nanophysik (F. Stienkemeier), Physikalisches Institut, Fklt. für Mathematik und Physik, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg