Zeptosekunden-Stoppuhr: Erstmals genauer Zeitpunkt einer Photoionisation bestimmt

12. November 2016, 08:00
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Genaueste Zeitbestimmung eines Ereignisses im Mikrokosmos, die jemals erreicht wurde

München – Trifft Licht auf Elektronen in Atomen, dann verändert sich deren Zustand in Zeiträumen, die so kurz sind, dass sie sich bisher kaum messtechnisch erfassen ließen. Nun aber ist es Laserphysikern der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck Instituts für Quantenoptik (MPQ) erstmals gelungen, den Moment der sogenannten Photoionisation mit Zeptosekunden-Genauigkeit zu beobachten. Eine Zeptosekunde ist ein Billionstel einer Milliardstel Sekunde (10-21 Sekunden). Das ist die höchste Genauigkeit der Zeitbestimmung eines Ereignisses im Mikrokosmos, die jemals erreicht wurde.

Trifft ein Lichtteilchen (Photon) auf die zwei Elektronen, kann es sein, dass die gesamte Energie des Photons entweder von dem einen Elektron aufgenommen wird oder sich aufteilt. In jedem Fall der Energieübertragung aber verlässt ein Elektron das Heliumatom. Diesen Vorgang nennt man Photoemission oder photoelektrischen Effekt. Albert Einstein hatte ihn Anfang des letzten Jahrhunderts entdeckt.

Von dem Zeitpunkt an, an dem das Photon mit den Elektronen wechselwirkt bis zu dem Zeitpunkt an dem ein Elektron das Atom verlässt, dauert es zwischen fünf und fünfzehn Attosekunden (1 as ist 10-18 Sekunden). Das fanden die Physiker bereits vor einigen Jahren heraus.

Ereignisse in der Zeptosekunden-Welt

Mit ihrer nun verbesserten Messmethode können die Laserphysiker das Geschehen bis auf 850 Zeptosekunden genau messen. Die Forscher schickten zur Anregung der Elektronen einen Attosekunden langen extrem ultravioletten Lichtblitz (XUV) auf ein Heliumatom. Gleichzeitig ließen sie einen zweiten infraroten Laserpuls auftreffen, der rund vier Femtosekunden (fs) dauerte (1 fs ist 10-15 Sekunden). Sobald das Elektron durch die Anregung des XUV–Lichtblitzes das Atom verlassen hatte, wurde es vom infraroten Laserpuls erfasst.

Je nachdem wie gerade das elektromagnetische Feld dieses Pulses zum Zeitpunkt der Erfassung beschaffen war, wurde das Elektron beschleunigt oder abgebremst. Über diese Geschwindigkeitsveränderung konnten die Physiker mit Zeptosekunden-Genauigkeit die Photoemission erfassen.

Erstmals bestimmten die Forscher wie die Energie des einfallenden Photons sich auf die beiden Elektronen des Heliumatoms in wenigen Attosekunden vor der Emission eines Teilchens quantenmechanisch verteilt hatte. "Mit der Messung elektronischer Korrelation wurde hier ein Versprechen der Attosekundenphysik eingelöst, nämlich die zeitliche Auflösung eines Prozesses, die mit anderen Methoden unerreichbar ist", sagt Reinhard Kienberger, Inhaber des Lehrstuhls für Laser- und Röntgenphysik der TU München.

Theoretische Vorhersagen bestätigt

Die Physiker konnten darüber hinaus die Präzision ihrer Experimente bis auf Zeptosekunden-Genauigkeit mit den theoretischen Vorhersagen ihrer Kollegen vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien korrelieren. Mit seinen zwei Elektronen ist Helium das einzige System, das sich vollständig quantenmechanisch berechnen lässt. Damit bietet es sich geradezu an, Theorie und Experiment unter einen Hut zu bringen.

"Wir können jetzt in dem verschränkten System aus Elektron und ionisiertem Helium-Mutteratom aus unseren Messungen die komplette wellenmechanische Beschreibung des Systems ableiten", sagt Schultze vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching. (red, 12.11.2016)


Abstract
Nature Physics: "Attosecond correlation dynamics."

  • Die Illustration zeigt die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten des verbleibenden Elektrons nach Photoemission eines Elektrons aus einem Heliumatom.
    illustr.: m. ossiander / tum, m. schulze / mpq

    Die Illustration zeigt die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten des verbleibenden Elektrons nach Photoemission eines Elektrons aus einem Heliumatom.

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