Zum allerersten Mal ist Wissenschaftlern gelungen, ein Elektron auf Film zu bannen. Bisher war dies aufgrund der extremen Schnelligkeit der Elementarteilchen nicht möglich. Das Video zeigt ein Elektron in Bewegung auf einer Lichtwelle, unmittelbar nachdem es sich von einem Atom getrennt hat.
Elektronen zu fotografieren oder gar zu filmen war bisher unmöglich. Denn die Elementarteilchen hinterließen aufgrund ihrer extrem hohen Geschwindigkeiten nur verwaschene Abbilder. Daher konnte ihre Bewegung nur mithilfe von indirekten Methoden, wie beispielsweise der Messung des Spektrums, ermittelt werden. Der Nachteil dieser Methoden war jedoch, dass sie nur das Ergebnis der Bewegung registrierten, nicht den gesamten Ablauf des Ereignisses.
Eine so schnelle Bewegung wie die der Elektronen lässt sich nur einfangen, wenn extrem schnelle Lichtblitze eine Serie von Schnappschüssen erzeugen, die das Teilchen in verschiedenen Stadien abbilden. Bisher gab es zwar die entsprechenden Blitze in Form von Attosekundenpulsen – Laserblitzen, die nur zehn hoch minus 18 Sekunden anhalten – aber ihre Intensität war zu schwach, um Bilder zu generieren. Jetzt aber ist es einem Wissenschaftlerteam der schwedischen Lund Universität gelungen, mithilfe einer neuen Technologie solche intensiven Attosekundenpulse zu erzeugen. Über die Methode berichten sie nun in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters”.
Laser-Stroboskop friert Bewegung ein
Das Forscherteam begann mit einem so genannten Stroboskop, einem Gerät, dass eine schnelle Folge von ultrakurzen Lichtblitzen erzeugt. „Ein Stroboskop ermöglicht es uns, eine periodische Bewegung wie beispielsweise den Flügelschlag eines Kolibris, quasi ‚einzufrieren‘“, erklärt Johan Mauritsson, Assistenzprofessor für Atomphysik, der gemeinsam mit seiner Kollegin Professor Anne L’Huillier die Studie leitete. „Dann erstellt man mehrere Aufnahmen wenn die Flügel jeweils exakt die gleiche Position einnehmen, beispielsweise oben sind. Das resultierende Bild wird dann scharf, trotz der schnellen Bewegung.“
Eine Bedingung für dieses Verfahren ist allerdings, dass der aufgenommene Prozess in identischer Weise reproduziert werden kann. Im Fall der Bewegung eines Elektrons in einem Lichtstrahl ist dies der Fall. Die Länge des erstellten Videos korrespondiert mit einer einzigen Schwingung des Lichts, die Geschwindigkeit jedoch wurde extrem verlangsamt, so dass das Ganze für Menschen sichtbar wird. Die resultierende Aufzeichnung zeigt die Energieverteilung des Elektrons – ein Film im herkömmlichen Sinne ist er daher nicht, wie die Wissenschaftler erklären.
„Wir haben der Wissenschaftlergemeinde lange schon versprochen, dass wir Attosekundenpulse nutzen können, um Elektronenbewegungen aufzuzeichnen“, so der Forscher. „Jetzt, wo wir Erfolg hatten, können wir untersuchen, wie Elektronen sich verhalten, wenn sie beispielsweise mit unterschiedlichen Objekten kollidieren.“ Die Forscher wollen als nächstes herausfinden, was mit dem Rest des Atoms geschieht, wenn ein inneres Elektron es verlässt. Ob und wie beispielsweise die restlichen Elektronen die entstandene Lücke ausfüllen.
(Swedish Research Council, 25.02.2008 – NPO)
