Ludwig-Maximilians-Universität München
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Attosekundenphysik

Zeptosekunden-Stoppuhr für den Mikrokosmos

München, 08.11.2016

Laserphysiker haben erstmals ein inneratomares Geschehen mit einer Genauigkeit von Billionsteln einer Milliardstel Sekunde aufgezeichnet.

Nachdem ein Lichtteilchen ein Elektron aus einem Heliumatom entfernt hat, kann die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des verbliebenen Elektrons berechnet werden. Je heller die Bereiche im Bild dargestellt sind, desto wahrscheinlicher ist sein Aufenthaltsort rund um den hier nicht sichtbaren Atomkern. Bild: Schultze/Ossiander

Wenn Licht auf Elektronen in Atomen trifft, verändert sich deren Zustand in unvorstellbar kurzen Zeiträumen. Laserphysiker der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben ein solches Phänomen, bei dem ein Elektron ein Heliumatom nach Lichtanregung verlässt, erstmals mit der Genauigkeit von Zeptosekunden gemessen. 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, und zudem die erste absolute Bestimmung des Zeitpunktes der Photoionisation.

Werden die beiden Elektronen eines Heliumatoms durch ein Lichtteilchen (Photon) angeregt, spielen sich die darauffolgenden Veränderungen nicht nur in ultrakurzen Zeiträumen ab, sondern es kommt auch die Quantenmechanik ins Spiel: Die gesamte Energie des Photons kann entweder von einem einzelnen Elektron aufgenommen werden oder sich auf beide Elektronen aufteilen. In beiden Fällen verlässt ein Elektron das Heliumatom. Diesen Vorgang, den Albert Einstein Anfang des vergangenen Jahrhunderts entdeckte, nennt man Photoemission oder photoelektrischen Effekt. Um ihn zu beobachten, muss man sehr schnell sein: Von der Anregung bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Elektron das Atom verlässt, vergehen nur zwischen fünf und fünfzehn Attosekunden (1 as entspricht 10-18 Sekunden), wie die Münchner Forscher bereits vor einigen Jahren zeigen konnten.

Nun haben die Laserphysiker ihre Messmethode weiter verbessert und können den Vorgang bis auf 850 Zeptosekunden genau messen. Zur Anregung der Elektronen schickten sie einen Attosekunden-langen, extrem ultravioletten Lichtblitz auf ein Heliumatom. Gleichzeitig ließen sie einen zweiten infraroten Laserpuls auftreffen, der rund vier Femtosekunden dauerte (1fs entspricht 10-15 Sekunden). Sobald das Elektron durch die Anregung des ultravioletten Lichtblitzes das Atom verlassen hatte, wurde es vom infraroten Laserpuls erfasst. Je nachdem, wie das elektromagnetische Feld dieses Pulses zum Zeitpunkt der Erfassung beschaffen war, wurde das Elektron beschleunigt oder abgebremst. Über diese Geschwindigkeitsveränderung konnten die Physiker die Photoemission mit Zeptosekunden-Genauigkeit erfassen. Zudem konnten sie erstmals bestimmen, wie sich die Energie des einfallenden Photons in den wenigen Attosekunden vor der Emission auf die beiden Elektronen des Heliumatoms quantenmechanisch verteilt hatte.

„Das Verständnis dieser Vorgänge im Heliumatom bietet uns für künftige Experimente eine enorm verlässliche Basis“, erklärt Dr. Martin Schultze vom Lehrstuhl für Experimentalphysik - Laserphysik der LMU, der die Experimente leitete. Die Physiker konnten die Präzision ihrer Experimente mit theoretischen Vorhersagen von Kollegen am 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 zu verbinden. „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.
Nature Physics 2016