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News: Schnell gestoppt

Etwa 150 Attosekunden braucht ein Elektron gemäß dem Bohr'schen Atommodell, um seinen Atomkern zu umrunden. Kaum zu glauben, dass sich derart kurze Prozesse jemals technisch erfassen lassen. Doch Physiker sind auf dem besten Weg dahin.
Dank moderner Mikroskope können Forscher selbst einzelne Atome aufs Korn nehmen – allerdings nur, wenn sie sich im Ruhezustand befinden. Bewegen sich die Atome hingegen – etwa während einer chemischen Reaktion –, dann braucht es schon sehr kurze Lichtpulse, um sie in einer Aufnahme zu fixieren. Reicht zur scharfen Abbildung eines fliegenden Tennisballes noch eine Belichtungszeit von weniger als eine tausendstel Sekunde, so sind die Lichtpulse um das Billionenfache zu verkürzen, auf wenige Femtosekunden (10-15 Sekunden), um die schnellsten atomaren Bewegungen in Molekülen festzuhalten.

Noch kürzere Zeiten sind nötig, um Prozesse in der Elektronenhülle eines Atoms abzulichten. Hier sausen die Elektronen tausendmal schneller. Sie wechseln aus einem Energiezustand in einen anderen in typischerweise 10 bis 1000 Attosekunden. (Eine Attosekunde sind 10-18 Sekunden.) Dabei fliegen Atome, die ursprünglich in einem Molekül gebunden waren, auseinander oder senden ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlung aus. Diese Vorgänge sind von grundlegender Bedeutung für die Kontrolle chemischer Reaktionen und Synthese neuer Materialien. Sie könnten sogar für die Konstruktion eines handlichen Röntgenlasers eingesetzt werden. Doch wie lassen sich derart kurze Prozesse verfolgen?

Es braucht eine geeignete Stoppuhr, die mit bisher nicht da gewesener Genauigkeit die Dauer solcher Vorgänge misst. Da das Stoppen "von Hand" bei derart kurzen Zeitintervallen kaum möglich ist, wäre es äußerst hilfreich, wenn der Messprozess gleich auch den zu beobachtenden Vorgang auslösen würde. Genau so einen Messapparat haben Wissenschaftler der Universitäten Wien und Bielefeld zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching gebaut.

Das Forscherteam um Reinhard Kienberger benutzte Röntgenblitze mit einer Dauer von lediglich 250 Attosekunden, die derzeit kürzesten Pulse der Welt, um mit der so zugeführten Energie die Bindung von Elektronen an ihren Atomkern kurzfristig zu überwinden. Gleichzeitig mit dem Lichtpuls begann auch die Zeitmessung des Prozess. Durch die Anregung des Attosekundenpulses wurde die Elektronenhülle der bestrahlten Atome stark angeregt, und manche aus ihrem Ruhezustand gebrachten Elektronen erlangten dabei eine so hohe Energie, dass sie sich aus ihrer atomaren Bindung lösten und selbständig machten. Die Dauer und der Verlauf dieser Elektronenemission gibt direkte Auskunft über den zeitlichen Verlauf der Anregungs- und Relaxationsprozesse in der Elektronenhülle.

Zu deren Messung hat das Forscherteam ein spezielles Verfahren entwickelt. Dabei haben die Wissenschaftler auf ein altbekanntes Konzept, auf das so genannte Schmierbildverfahren, zurückgegriffen. Bis vor kurzem wurde diese Methode ausschließlich zur Messung der Dauer kurzer Lichtblitze verwendet: Ein Lichtpuls schlägt während seiner Dauer Elektronen aus einer Metallplatte heraus, die anschließend mit einem statischen elektrischen Feld zu einem fluoreszierenden Schirm beschleunigt werden. Bei dem neuen Verfahren geschieht die Ablenkung der Elektronen nun nicht durch ein statisches elektrisches Feld, sondern durch ein extrem schnell variierendes Lichtfeld, das seine Wirkung unmittelbar bei der Freisetzung der Elektronen entfaltet.

Durch die Messung der Emissionszeit der ausgelösten Elektronen mit dem neuen Schmierbildverfahren konnten die Wissenschaftler um Kienberger auf eine Röntgenblitzdauer von 250 Attosekunden zurückrechnen – von kürzeren Pulsen konnte bislang kein anderes Forscherteam berichten. Zudem handele es sich laut der Universität Bielefeld auch um die kürzeste gemessene Zeitspanne überhaupt. Die Genauigkeit hätte bei 100 Attosekunden gelegen. Fast scheint es, als sei es nur eine Frage der Zeit, bis wir Elektronen beim Kreisen ums Atom zusehen können – wenn hierbei nur nicht Heisenbergs Unschärferelation Ärger machen würde.

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  • Quellen
Nature 427: 817–821 (2004)

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