Licht trifft Materie: Physiker haben erstmals beobachtet, wie Einsteins photolektrischer Effekt innerhalb des Atoms abläuft. Überraschenderweise erhält dabei das Elektron einen größeren Anteil des Photonenimpulses als erwartet: Es bekommt ein Drittel des Energieanteils, den gängiger Theorie nach der Atomkern bekommen müsste, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten. Ursache dafür ist offenbar ein Zusatzschub durch den magnetischen Feldanteil des Lichts.
Schon Albert Einstein beschrieb 1905 diese fundamentale Wechselwirkung von Licht und Materie: Wenn Licht auf ein Atom trifft, überträgt es einen Teil seiner Energie. Im angeregten Atom springen dadurch Elektronen auf ein höheres Energieniveau oder werden sogar ganz aus ihrem Orbit katapultiert – das Atom wird ionisiert. Wie sich die Elektronen dabei verhalten und wie schnell sie auf den Lichtimpuls reagieren, haben Physiker inzwischen geklärt.
Eine Frage jedoch blieb bislang offen: Wie die Energie der Photonen auf die Komponenten des Atoms verteilt wird. „Die einfachste Idee wäre: Solange das Elektron gebunden ist, wirkt der Impuls auf das schwere Teilchen, also den Atomkern“, erklärt Seniorautor Reinhard Dörner von der Goethe-Universität Frankfurt. Hat das Elektron dann jedoch die Schwelle zum Ionisations-Potential überwunden, wird es frei. Der Photonen-Impuls verleiht ihm die kinetische Energie, mit der es sich vom Atom wegkatapultiert.
Argon-Atome unter Laserbeschuss
Doch ob dieses Szenario tatsächlich zutrifft, war unklar, weil es keine Experimente gab, die den winzigen Impuls der Photonen und ihre Verteilung im Atom messen konnten. Ein solches Experiment hat Dörners Team nun entwickelt und durchgeführt. Kernstück ist ein sogenanntes COLTRIMS-Spektrometer – eine drei Meter lange Anlage, in dem einzelne Argon-Atome mit ultrakurzen Laserpulsen von zwei verschiedenen Seiten beschossen werden können.
