Wie supraflüssige Helium-Tröpfchen reagieren

Laser für hochintensive und ultra­kurze extreme ultra­violette sowie Röntgen­strahlung eröffnen neue Möglich­keiten, um die grund­legenden Eigen­schaften von Materie genau zu unter­suchen. Bei vielen der dafür statt­findenden Experi­mente sind Material­proben im Nano­meter­bereich von besonderem Interesse. Einige Wisse­nschaftler verwenden dabei nano­meter­große Helium­tröpfchen als Transport­mittel, um ein­ge­bettete Moleküle und mole­ku­lare Strukturen zu unter­suchen. Diese sind dafür ideal geeignet, weil sie außer­gewöhn­liche Eigen­schaften besitzen: Sie haben eine extrem niedrige Temperatur von nur 0,37 Grad über dem absoluten Null­punkt und können sich reibungslos bewegen, weshalb sie als Supra­flüssig­keit gelten. Zudem sind Helium­tröpfchen an chemischen Vorgängen der ein­ge­betteten Moleküle meist nicht beteiligt und für infra­rotes sowie sicht­bares Licht völlig transparent.

Einem Team um Frank Stienke­meier von der Uni Freiburg und Marcel Mudrich von der Uni Aarhus in Dänemark ist es jetzt gelungen, die ultra­schnelle Reaktion von Nano­tröpfchen aus Helium nach Anregung mit extremer ultra­violetter Strahlung durch einen Frei-Elektronen-Laser in Echtzeit zu verfolgen. Dafür nutzten die Forscher den Freie-Elektronen-Laser FERMI in Italien, der wellen­längen­abstimm­bare hoch­intensive XUV-Pulse liefert. Gestützt von Modell­rechnungen identi­fi­zierten die Wissen­schaftler dadurch drei elementare Reaktions­schritte: eine sehr schnelle Lokali­sierung von Elektronen, die Besetzung meta­stabiler Zustände sowie die Bildung einer Hohl­raum­blase, die schließlich an der Ober­fläche der Tröpfchen zerplatzt und dabei ein einzelnes ange­regtes Helium­atom aus­stößt.

„Es ist uns erstmalig gelungen, diese Prozesse im supra­flüssigen Helium, die in extrem kurzer Zeit ablaufen, direkt zeitlich zu verfolgen“ sagt Mudrich. „Die Ergeb­nisse helfen zu verstehen, wie Nano­partikel mit energe­tischer Strahlung wechsel­wirken und zerfallen“, ergänzt Stienke­meier. „Das ist eine nötige Grund­lage für die Arbeiten zur direkten Abbildung einzelner Nano­partikel, wie sie an neuen intensiven Strahlungs­quellen wie zum Beispiel dem europä­ischen Röntgen­laser XFEL in Hamburg voran­ge­trieben werden.“

ALU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  M. Mudrich et al.: Ultrafast relaxation of photoexcited superfluid He nanodroplets, Nat. Commun. 11, 112 (2020); DOI: 10.1038/s41467-019-13681-6
• Molekül- und Nanophysik (F. Stienkemeier), Physikalisches Institut, Fklt. für Mathematik und Physik, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg