Österreichische Physiker messen den Sprint von Elektronen

14. Jänner 2015, 19:19
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Elektron braucht rund 40 Attosekunden, um eine Atomlage von Magnesium zu durchqueren

Wien/München - Ein weiterer Erfolg für die sogenannte Attosekundenphysik: Österreichischen Physikern gelang nun die Messung, wie lange Elektronen benötigen, um einzelne Atomlagen eines Kristallgitters zu durchqueren. Im Fall von Magnesium dauert es rund 40 Attosekunden, wie die Wissenschafter im Fachjournal "Nature" berichen.

Wenn man einen Körper mit Licht bestrahlt, wird Energie auf ein Elektron übertragen, das deswegen seinen Aufenthaltsort verlässt. Dieser "photoelektrischer Effekt" genannte Vorgang geschieht so schnell, dass es lange Zeit unmöglich schien, seinen zeitlichen Ablauf zu untersuchen.

In den vergangenen Jahren ist es Forschern gelungen, immer kürzere Lichtpulse zu erzeugen und zu messen - das Forschungsgebiet wird Attosekundenphysik genannt. Das Prinzip ist vergleichbar mit der Fotografie: Will man ein sich schnell bewegendes Objekt scharf abbilden, benötigt man eine möglichst kurze Belichtungszeit. Um die Bewegung eines Elektrons zu erfassen sind kürzeste Attosekundenblitze notwendig.

Ein Team um den aus Salzburg stammenden Physiker Reinhard Kienberger von der Technischen Universität (TU) München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hat mit Hilfe theoretischer Berechnungen von den theoretischen Physikern Joachim Burgdörfer und Christoph Lemell von der TU Wien die Laufzeiten von Elektronen durch Distanzen vermessen, die der Dicke einzelner Atomlagen entsprechen.

Beschleunigung durch Lichtpulse

Sie brachten dazu auf einen Wolframkristall eine bestimmte Zahl an Lagen aus Magnesiumatomen auf. Auf diese Probe wurde ein rund 450 Attosekunden kurzer Lichtpuls geschickt. Das Licht drang in das Material ein und löste sowohl aus dem Magnesium als auch aus dem darunter liegenden Wolfram je ein Elektron heraus.

Diese bewegten sich daraufhin durch den Kristall bis an dessen Oberfläche und verließen den Festkörper. Elektronen aus dem Wolframkristall konnten dabei maximal vier Lagen von Magnesiumatomen durchdringen.

Im Augenblick der Freisetzung wurden die Elektronen von einem zweiten Lichtpuls erfasst. Weil es das "Wolfram-Elektron" und das "Magnesium-Elektron" unterschiedlich weit hatten und deshalb zeitversetzt an die Oberfläche kamen, erfasste sie auch der zweite Lichtpuls zu verschiedenen Zeiten. Damit bekamen sie aber auch unterschiedliche Stärken des sich regelmäßig ändernden elektrischen Feldes des Lichtpulses ab und wurden deshalb unterschiedlich stark beschleunigt.

So konnten die Wissenschafter ermitteln, wie lange ein Elektron benötigte, um eine Lage von Atomen zu durchqueren. Im Fall von Magnesium waren es 40 Attosekunden. Bei anderen Materialien ändern sich die Laufzeiten, da die Lagen in Abhängigkeit des verwendeten Atoms unterschiedlich dick und dicht seien, so die Forscher. (APA, 14.1.2015)

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