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Elementarteilchen, die leuchten

Forscher beobachten Geburt eines Elektrons

Physiker der Technischen Universität Wien haben einem Atom mit Hilfe eines starken Laserstrahls ein Elektron entrissen - und diesen Vorgang mit einer Genauigkeit von weniger als zehn Attosekunden beobachtet.

Experiment 15.05.2012

Unscharfer Abgang

In dem Experiment wird ein maßgeschneiderter Laserstrahl mit zwei verschiedenen Lichtwellenlängen auf Atome gerichtet. Beide Wellenlängen ergeben ein gemeinsames Laserfeld, erklärte Markus Kitzler vom Institut für Photonik der TU Wien. Mit diesem Laserfeld wird ein Elektron aus dem Atom entfernt.

Wann das geschieht, lässt sich laut Kitzler nicht exakt definieren. "Wie in der Quantenmechanik üblich kommt es hier zur Überlagerung verschiedener Vorgänge." Das Elektron verlasse das Atom gewissermaßen zu verschiedenen Zeitpunkten - und diese Vorgänge kombinieren sich zu einem Gesamteffekt, ähnlich wie sich einzelne Wasserwellen zu einem Wellenmuster überlagern.

Die Studie

"Attosecond Probe of Valence-Electron Wave Packets by Subcycle Sculpted Laser Fields", Physical Review Letters (doi: 10.1103/PhysRevLett.108.193004).

"Messungen noch nie geglückt"

Diese Interferenzen geben den Wissenschaftlern aber auch Informationen über den Anfangszustand des Elektrons. Dabei handelt es sich zum Beispiel um die zeitliche Entwicklung der Quantenphase des Elektrons, also der Takt, in dem die Quanten-Wellen schwingen.

Aus der Phase lässt sich etwa herauslesen, wie das Elektron während seiner "Geburt" - im vereinfachten Atommodell - von einer Schale auf die andere übergeht, dann vom Laserfeld noch ein paar Mal hin- und hergeschleudert und schließlich als freies Elektron vom Detektor nachgewiesen wird. Die Wissenschaftler erhalten sogar (mit der entsprechenden quantenmechanischen Unschärfe) Hinweise, wie weit vom Atom das Elektron geboren wurde, also wo es zur Ionisation kam: "Messungen, die bisher noch nie geglückt sind", so Kitzler.

Auf der Zeitskala von Attosekunden laufen viele atomare Prozesse ab - etwa die Umlaufsdauer eines Elektrons um den Atomkern. Eine Attosekunde entspricht 10 hoch minus 18 Sekunden und verhält sich zu einer Sekunde etwa wie eine Sekunde zum Alter des Universums (14 Milliarden Jahre).

science.ORF.at/APA

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