Filmdreh in Atomen

Die Bewegungen von Elektronen dauern meist nur wenige Femtosekunden bis Attosekunden. Damit sind sie für das menschliche Auge nicht fassbar. Nun haben Forscher des Labors für Attosekundenphysik (LAP) an der LMU und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching in Zusammenarbeit mit dem Joint Attosecond Science Laboratory in Ottawa, Kanada, ein Mikroskop entwickelt, das die Bewegungen von Elektronen sichtbar macht. Mit der laserbasierten Technik können die Forscher filmen, was in einem einzelnen Atom oder einem Molekül passiert, wenn Elektronen in Bewegung geraten.

„Die große Herausforderung, Elektronen sichtbar zu machen, ist ihre Geschwindigkeit“, erklärt Dr. Matthias Kübel, der an der LMU im Team von Professor Matthias Kling forschte. „Um ihre Aktivitäten trotzdem, ähnlich wie bei einer Hochgeschwindigkeitskamera, einzufrieren, haben wir Laserpulse verwendet, die weniger als fünf Femtosekunden lang dauerten.“ Die Forscher haben nun Femtosekunden-Laserpulse auf Argon-Atome treffen lassen und dadurch ihre Elektronen zur Aktivität angeregt. „Es dauerte weniger als zwölf Femtosekunden, bis die Verteilung der Elektronen sich von der ursprünglichen Donut-Form in eine Erdnuss-Form verwandelt hat“, sagt Matthias Kübel. „Zwar ist die Elektronenbewegung extrem schnell, sie wiederholt sich aber. So können wir die Reproduzierbarkeit unserer Methode direkt testen.“

Die Forscher zeigten nun mit ihrem Mikroskop, wie Elektronen in den Argon-Ionen verteilt sind und wie sich ihre Anordnung mit der Zeit veränderte. Das gelang den Physikern, indem sie nach dem ersten Laserpuls zwei weitere auf die Argon-Ionen schickten. Mithilfe der Quantenmechanik erzeugten die Laserpulse eine Kopie der Elektronenwolke innerhalb des Argon-Ions. Die Kopie wurde dann auf einen speziellen Elektronendetektor abgebildet. Die Einzelbilder setzt ein Computer zu einem Film zusammen. „So können wir die gesamten Abläufe in Molekülen und Atomen zeigen, unmittelbar nachdem die Teilchen mit dem Licht interagiert haben“, sagt Kübel. (LAP/LMU)Nature Communications 2019