Elektronen reagieren verzögert auf Licht

Physikern ist das bisher Unmögliche gelungen: Sie haben so kurze Laserblitze erzeugt, dass sie sogar die Reaktion von Elektronen auf Licht damit messen können. Ihre Attosekunden-Pulse sind die kürzesten je im sichtbaren Bereich erzeugten. Mit ihrer Hilfe haben die Forscher erstmals nachgewiesen, dass Elektronen auf die Zufuhr von Energie mit einer Verzögerung reagieren. Dieser Anregungsprozess galt bisher als zu schnell um gemessen zu werden, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Es ist eine fundamentale Wechselwirkung von Licht und Materie: Wenn energiereiches Licht auf ein Atom fällt, reagieren dessen Elektronen darauf und springen auf ein höheres Energieniveau – sie werden angeregt. Dieser Prozess bildet die Grundlage für eine Vielzahl von Technologen, von der Fluoreszenzmikroskopie über Röntgenbeugungen bis hin zum Laser. Auch die optische Datenverarbeitung

Gekürzte Laserpulse

Wie schnell aber die Elektronen auf das einfallende Licht reagieren, war bisher unbekannt – es galt schlicht als „nicht instantan, aber unmessbar schnell“. Man nahm an, dass Elektronen einige 10 oder 100 Attosekunden Reaktionszeit besitzen. „Eine Voraussetzung dafür, ein so kurzes Ereignis einzufangen, ist ein Lichtblitz, der die Elektronen extrem schnell in Bewegung versetzt und so ihre Reaktionszeit testet“, erklärt Mohammed Hassan vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching.

Genau solche Lichtpulse haben Hassan und seine Kollegen nun erstmals erzeugt. Für ihren „Lichtfeld-Synthesizer“ leiteten sie zunächst Femtosekunden-Laserpulse durch eine dünne Neongasröhre, um das Spektrum des Laserlichts aufzuweiten. Das nun vom Nahinfrarot bis in den UV-Bereich aufgespreizte Licht teilten sie in vier Spektralbänder, die sie so kombinierten, dass extrem kurze, nur noch rund 380 Attosekunden lange Lichtpulse herauskamen.

]Nur eine halbe Schwingung lang

Die dadurch erzeugten Pulse sind so kurz, dass sie kaum mehr als einer halben Schwingung des Lichts entsprechen. Sie sind damit die kürzesten je im sichtbaren Bereich erzeugten Pulse, wie die Forscher berichten. Gleichzeitig aber ist die Intensität eines solchen Attosekunden-Pulses rund fünffach so hoch wie die benachbarter Wellenzüge. Diese Pulse sind damit erstmals sowohl kurz genug als auch energiereich genug, um Atome anzuregen.

Für die Messung der Elektronen-Reaktionszeit richteten Hassan und seine Kollegen die optischen Attosekunden-Pulse auf Krypton-Atome und regten durch diese Energiezufuhr deren Elektronen an. Als Reaktion strahlten die angeregten Elektronen UV-Licht ab, dessen spektrale Zusammensetzung je nach Phase und Intensität der Pulse leicht variierte. Daraus konnten die Physiker ableiten, wie lange die einzelnen Elektronen für ihre Reaktion benötigen.

Elektron reagiert verzögert

Das Ergebnis: Wie vermutet, reagiert ein Elektron nicht sofort auf die Lichteinstrahlung, sondern mit leichter Verzögerung. „Unsere Messungen enthüllen eine nichtlineare Reaktionszeit der Elektronen von bis zu 115 Attosekunden“, berichten Hassan und seine Kollegen. Damit sei einer der Grundfragen der Physik geklärt, betonen sie. Die Messung setze einen Schlussstrich unter die Jahrzehnte währende Debatte über die fundamentale Dynamik der Licht-Materie-Wechselwirkung

„Jetzt können wir erstmals die Reaktion der in den Atomen gebundenen Elektronen in Echtzeit verfolgen“, sagt Seniorautor Eleftherios Goulielmakis vom MPI für Quantenoptik. Damit stehe man am Beginn einer neuen Epoche, in der sich Materie über die Beeinflussung von Elektronen untersuchen und manipulieren lasse. Als einen der nächsten Schritte planen Goulielmakis und sein Team die Ausdehnung dieser Untersuchungen auf die Elektronendynamik in Festkörpern. (Nature, 2016; doi: 10.1038/nature16528)

(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 05.02.2016 – NPO)