Die pulsierende Leere nach dem Elektron

09.08.2010: Wie Elektronen sich in der äußeren Schale eines Atoms bewegen, hat ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München beobachtet. Die Physiker haben in einem Edelgasatom den quantenmechanischen Prozess verfolgt, der dort stattfindet, wo kurz zuvor ein Elektron aus seiner Umlaufbahn herausgeschlagen wurde. Demnach hinterlässt das Elektron dabei ein pulsierendes Loch. Für das Experiment nutzten die Forscher Lichtpulse, die nur wenig mehr als 100 Attosekunden dauern. Sie eröffnen damit die Möglichkeit, die Bahnen von Elektronen auch in Molekülen und Festkörpern zu beobachten.

Quantenteilchen, wie Elektronen, sind flüchtige Zeitgenossen. Wo genau sich Elektronen in einem Atom aufhalten, kann niemand sagen. Die Elementarteilchen folgen den Gesetzen der Quantenmechanik: Quantenphysiker können nicht zugleich die Bewegung und den Aufenthaltsort eines Teilchens bestimmen. Daher geben sie für den Aufenthaltsort nur Wahrscheinlichkeiten an, die die Form von Wolken annehmen. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit halten sie sich jeweils in einem charakteristisch geformten Orbital auf. Manchmal besetzt ein Elektron zwei oder mehr Orbitale auf einmal, Physiker sprechen dann von einem Überlagerungszustand. Dann nimmt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Partikel die Form einer pulsierenden Wolke an. Um sich zwischen den verschiedenen Aufenthaltsräumen hin- und her zu bewegen brauchen die Elektronen nur einige hundert Attosekunden. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde.

Die Bewegung von Elektronen haben die Forscher um Ferenc Krausz, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität, nun erstmals verfolgt. In einer Kooperation mit der King-Saud-Universität (Riad, Saudi-Arabien), des Argonne National Laboratory (USA) und der University of California, Berkeley (USA) haben die Physiker zunächst ein Elektron aus der äußeren Hülle eines Kryptonatoms herausgelöst. Anschließend haben sie gemessen, wie sich die Wolke der verbleibenden Elektronen bewegt.

Bei ihren Experimenten ließen die Physiker Laserpulse aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums auf Kryptonatome treffen. Die Lichtpulse mit einer Dauer von weniger als vier Femtosekunden - eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde - schlugen aus den äußeren Schalen der Atome jeweils ein Elektron heraus. Das Atom wird dann zum positiv geladenen Ion. An der Stelle, an der das Elektron das Atom verlassen hat, entsteht ein positiv geladenes Loch. Quantenmechanisch gesehen pulsiert dieser freie Platz nun im Atom weiter als sogenannte Quantenschwebung.

Erkenntnisse, die zu den Grenzen der Elektronik führen

Das Pulsieren haben die Physiker nun mit einem zweiten, nur noch 150 Attosekunden langen Puls von extrem kurzwelligem ultraviolettem Licht direkt beobachtet, also quasi gefilmt. Es stellte sich heraus, dass sich die Position des Lochs im Ion, also der positiv geladenen Stelle, innerhalb von nur rund sechs Femtosekunden zyklisch zwischen einer langgestreckten keulenartigen und einer kompakten zusammengezogenen Form hin und her bewegt. "Damit ist es uns zum ersten Mal gelungen, die Veränderung einer Ladungsverteilung in einem Atom direkt aufzuzeichnen", erklärt Eleftherios Goulielmakis, Forschungsgruppenleiter im Labor für Attosekundenphysik von Ferenc Krausz.

"Mit unseren Experimenten haben wir einen einzigartigen Echtzeit-Einblick in den Mikrokosmos erhalten", erläutert Ferenc Krausz. "Wir haben erstmals die quantenmechanischen Vorgänge in einem ionisierten Atom mit Attosekunden-Lichtblitzen aufgezeichnet." Die Erkenntnisse helfen, die blitzschnelle Dynamik von Elementarteilchen außerhalb des Atomkerns besser zu verstehen.

In weiteren Untersuchungen wollen die Physiker des Labors für Attosekundenphysik filmen, wie sich Elektronen in Molekülen und Festkörpern bewegen. Damit werden sie auch neue Einsichten in biologische und chemische Prozesse ermöglichen, die letztlich immer auf der Bewegung von Elektronen beruhen. Sobald sich diese Prozesse mit exakteren Modellen beschreiben lassen, eröffnen sich möglicherweise auch neue Einsichten in die mikroskopischen Ursachen schwerer Krankheiten. Das Verständnis der ultraschnellen elektronischen Prozesse dürfte aber auch dazu beitragen, die elektronische Datenverarbeitung schrittweise zur ultimativen Grenze der Elektronik zu beschleunigen.

Originalveröffentlichung: Eleftherios Goulielmakis et al.; "Real-time observation of valence electron motion"; Nature, 5. August 2010