Wissenschaftler blicken tief ins Atom
Riesen-Resonanz von Xenon liefert Hinweise auf neue Quantenphysik
Eine Kooperation aus Theorie- und Experimentalphysikern hat bislang unbekannte Quantenzustände im inneren von Atomen entdeckt. Die Beobachtungen, die im Fachblatt „Nature Communications“ veröffentlicht sind, ermöglichen ein besseres Verständnis bestimmter Verhaltensweisen von Elektronen in Atomen, was wiederum zu neuen Erkenntnissen über technologisch relevante Materialien führen könnte.
Zeichnung eines 4d Elektronen-Orbitals in Atomen des Edelgases Xenon.
Antonia Karamatskou / DESY
Die Wissenschaftler vom europäischen Röntgenlaser European XFEL und dem Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY haben die unbekannten Quantenzustände in Atomen des Edelgases Xenon mit DESYs Röntgenlaser FLASH untersucht.. Erst mit dem hellen Röntgenlicht sogenannter Freie-Elektronen-Laser wie FLASH oder dem European XFEL, der 2017 den Forschungsbetrieb aufnehmen soll, wurde diese Beobachtung möglich. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.
Atome können elektrisch geladen werden, indem sie beispielsweise ein oder mehrere Elektronen abgeben oder aufnehmen. Diese sogenannte Ionisation galt lange als relativ einfacher Prozess. Allerdings stellte sich heraus, dass Elektronen vor ihrem Ausbruch aus der Atomhülle kurzzeitig zwischen den sogenannten Schalen der Hülle hängen bleiben können. Diese sehr kurze Pause dauert typischerweise zwar weniger als eine Femtosekunde (billiardstel Sekunde), in der Welt der Quantenphysik ist dies jedoch lang genug um als sogenannte Resonanz messbar zu sein.
„In der Resonanz 'sprechen' die Elektronen miteinander“, erläutert Michael Meyer, Leitender Wissenschaftler bei European XFEL und einer der Autoren der Studie. Diese Art Konversation lässt sich per Spektrograph nachweisen und findet in den meisten Atomen in einem sehr schmalen Energiebereich statt.
Seit rund einem halben Jahrhundert kennen Wissenschaftler allerdings eine seltsam breite Resonanz im Edelgas Xenon sowie in einigen Seltenen Erden, die sogenannte Dipol-Riesenresonanz. „Es gab einfach keine guten Werkzeuge, um die Dipol-Riesenresonanz genauer zu untersuchen“, sagt Meyer. „Erst Freie-Elektronen-Laser im extrem ultravioletten und im Röntgenbereich bieten nun die Möglichkeit, die seltsamen Eigenschaften von Xenon zu überprüfen.“ Diese Anlagen können auch nichtlineare Prozesse untersuchen, also solche Phänomene, die nicht das direkte Ergebnis einer einzelnen Wechselwirkung sind.
Im Fall von Xenon ist dies ein Prozess, bei dem zwei Photonen auf einmal verschwinden, statt einem, und gleichzeitig ihre Energie auf das ausbrechende Elektron übertragen. Dies zeigte sich, als Tommaso Mazza aus der Gruppe von Meyer die Ionisierung von Xenon-Atomen mit der intensiven Strahlung von FLASH beobachtete. Parallel dazu untersuchten DESY-Forscher Robin Santra, Leiter der CFEL-Theoriegruppe, und Antonia Karamatskou aus seiner Gruppe einen 40 Jahre alten Vorschlag zur Dipol-Riesenresonanz, der bislang weitgehend ignoriert worden war: Demnach handelt es sich nicht um eine, sondern um zwei nahe beieinanderliegende Resonanzen, die frühere spektroskopische Techniken nur nicht unterscheiden konnten - im Gegensatz zu heutigen Freie-Elektronen-Lasern, die sehr gezielt die Elektronenstruktur in der Atomhülle auskundschaften können. Die Berechnungen von Santra und Karamatskou decken sich ausgezeichnet mit den Messungen von Mazza und seinen Kollegen an FLASH.
Santra und Meyer gehen davon aus, dass das Verhalten von Elektronen in der Atomhülle generell viel komplexer ist als bisher bekannt. Denn die Ergebnisse deuten auf noch nicht vollständig verstandene Aspekte im Atom. „Wir verstehen bislang noch nicht einmal, warum es überhaupt eine zweite Resonanz geben sollte“, sagt Santra. „Viele glauben, die Atomphysik sei einfach und durchdrungen, aber wie diese Kooperation gezeigt hat, lauert da noch viel Unbekanntes.“
Das Experiment hat auch gezeigt, dass sich Freie-Elektronen-Laser als hochentwickelte Werkzeuge für die Untersuchung der Quantenphysik eignen. Santra erwartet, dass der European XFELdiese Möglichkeiten noch erheblich erweitert.
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