Elementarteilchen: Bewegung von Elektronen erstmals gefilmt

Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, Schnappschüsse von Elektronen zu erstellen. Der kurze Film zeigt die Verteilung ihrer Energie, nachdem sie von einem Atom entfernt wurden.

Um derart schnelle Ereignisse aufzunehmen, bedarf es extrem kurzer Lichtpulse, doch diese waren bisher nicht in ausreichender Stärke verfügbar. Mit Hilfe einer neu entwickelten Technik erzeugten Forscher um Johan Mauritsson von der Universität Lund in Schweden nun Pulse intensiven Laserlichts im Attosekundenbereich, die scharfe Bilder von Elektronenbewegungen ermöglichen.

Elektronenbewegungen | Die Forscher ionisierten gezielt Heliumatome und nahmen die Impulsverteilung der dabei entfernten Elektronen mit Hilfe eines Spektrometers als Funktion der zeitlichen Verzögerung zwischen dem Infrarotlaser und dem Attosekundenpuls auf. Die Länge des Films entspricht einer einzigen Schwingung des Lichts. Die Forscher verlangsamten die Geschwindigkeit aber erheblich, so dass wir etwas erkennen können.

In ihrem Experiment kombinierten sie die ultrakurzen Lichtpulse mit dem oszillierenden elektrischen Feld eines Lasers, um in einer kontrollierten Art und Weise einzelne Elektronen aus Heliumatomen zu entfernen. Indem die Forscher die Pulse mit den Schwingungen eines Infrarot-Lasers synchronisierten, wurden die Atome nur zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt in jedem Zyklus ionisiert. Jeder Attosekunden-Puls setzt dabei einige Elektronen frei, die dann entweder auf ihr Atom zurückfallen oder aber in einen Detektor gelangen. Da sie nicht wie bei vorherigen Methoden während des gesamten Zyklus entweichen, konnte das Team erstmals zeitlich und räumlich hochaufgelöste Bilder des Quantenzustands von Elektronen aufnehmen. Ansonsten führte die Überlagerung der zu verschiedenen Zeiten ausgelösten Elementarteilchen zu einer verschwommenen Impulsverteilung der Elektronen.

Die Wissenschaftler vergleichen ihre Methode mit der eines Stroboskops. Dieses sendet periodisch Lichtblitze aus, um so beispielsweise ein Standbild eines fliegenden Kolibris zu erzeugen. Dabei muss das Licht genau mit der Frequenz des Flügelschlags aufleuchten, um trotz der schnellen Bewegung ein scharfes Bild des Vogels herzustellen.

Die Wissenschaftler hoffen mit dieser Technik mehr über Atome zu erfahren, bei denen ein inneres Elektron ausgelöst wird: Zum Beispiel, wie und wann ein anderes Elektron die Lücke auffüllt.

Bisher haben Wissenschaftler die Bewegungen von Elektronen mit indirekten Methoden untersucht, wie beispielsweise durch Messung ihres Spektrums. Damit war es allerdings nur möglich, die Auswirkungen der Elektronenbewegung zu messen, während nun der gesamte Verlauf verfolgt werden kann. (mp)