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News: Elektron im Attoblitz

Dank ultraschneller spektroskopischer Verfahren ist es Wissenschaftlern heute möglich, chemische Prozesse sowie Schwingungen von Atomen und Molekülen im Zeitraffer zu verfolgen. Nun gehen sie einen Schritt weiter und widmen sich dem Elektron.
Auger-Prozess klein
Es dauert nur Bruchteile einer Sekunde, und Schumi ist an der Tribüne vorbeigeschossen. Wer diesen Moment eines Formel-1-Rennens im Bild festhalten will, muss an seiner Kamera schon eine sehr kurze Verschlusszeit wählen, sonst ist auf dem Film nur ein verschmierter roter Strich zu sehen. Genauso verhält es sich mit spektroskopischen Untersuchungen an Atomen und Molekülen. Auch hier muss die "Belichtungszeit" stimmen, erst recht, wenn es gilt, die Dynamik von Elektronen zu untersuchen. Hier bedarf es jedoch rund eine Billiarde Mal kürzerer Zeiten als in der Sportfotografie – eine enorme technische Herausforderung.

Etwa vor einem Jahr waren es Forscher der Universität Wien und Kollegen der Universität Bielefeld, die diese Aufgabe erstmals meisterten [1]. Ihnen war es gelungen, ultrakurze Lichtblitze von wenigen Attosekunden (10-18 Sekunden) Dauer zu erzeugen und damit erste Experimente durchzuführen. Nun ist die Erzeugung kurzer Laserpulse eine Sache, damit jedoch sehr schnelle Prozesse zu beobachten, ist eine andere.

Doch auch dieses Vorhaben gelang dem Team, und so maßen Markus Drescher und seine Kollegen nun zum ersten Mal auf direktem Wege die Zerfallszeit einer bestimmten elektronischen Anregung [2]: Die Forscher nutzten den Attosekundenblitz, um ein Rumpfelektron – ein Elektronen einer inneren Schale – des Edelgases Krypton zu entfernen. In diesem ionisierten Zustand ist das Krypton jedoch nicht stabil. Schnell springt ein Elektron von einem höheren Energieniveau auf ein tieferes, um die dort entstandene Lücke zu füllen.

Bei diesem Sprung wird Energie frei, die häufig in Form eines Photons abgestrahlt wird. Die Energie kann aber auch auf ein weiteres Elektron in einem höheren Energieniveau übergehen, und wenn dessen Bindungsenergie entsprechend gering ist, dann verlässt es das Atom. Man spricht hierbei auch vom Auger-Effekt beziehungsweise von Auger-Elektronen.

So ein Auger-Prozess spielt sich in äußerst kurzer Zeit ab: Zwischen 10-14 und 10-16 Sekunden dauert der Vorgang – zu schnell für bisherige Methoden, sodass sich die Dauer des Zerfalls bislang nur indirekt anhand der Linienbreite des emittierten Auger-Elektrons bestimmen ließ.

Doch mit dem Attosekundenpuls und einem nachfolgenden Femtosekundenpuls, der die Emission des Auger-Elektrons detektierte, ließ sich der Zerfall nun mit bislang unerreichter Genauigkeit stoppen. 7,9 Femtosekunden braucht es demnach im Mittel, bis das Loch in der so genannten M-Schale wieder gefüllt war und das Auger-Elektron das Atom verlassen hat.

Für Drescher und seine Kollegen war der Zerfall des angeregten Zustands im Krypton zunächst nur ein Test, um die Durchführbarkeit der Zeit-aufgelösten Spektroskopie an Rumpfelektronen zu prüfen. Louis Di Mauro vom Brookhaven National Laboratory in Upton geht indes davon aus, dass diese Arbeit eine neue Ära einläuten wird [3]: "Das Zeitalter der Attophysik hat begonnen."

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