Forschung & Entwicklung

Der Zeit atomarer Vorgänge auf der Spur

Zur Messung ultrakurzer atomarer Vorgänge wie der Fotoionisation findet die Methode des ‚Attosekunden-Streaking‘ Anwendung, die Zeitdifferenzen in messbare Geschwindigkeitsunterschiede der Fotoelektronen übersetzt. Verschiedene theoretische Modelle für eine Korrektur aufgrund der elektrischen Wechselwirkung des Elektrons mit dem Ion konnten nun experimentell getestet und bestätigt werden.

Es gibt es Ansätze, zeitabhängige Vorgänge im Mikrokosmos theoretisch und experimentell zu erfassen. In der klassischen Physik kann jedem Objekt ein genauer Ort und Bewegungszustand zugeordnet werden, was eine Zeitmessung über Start- und Stoppereignisse erlaubt. In der Quantenmechanik besteht eine grundsätzliche Orts- und Bewegungsunschärfe und einzelne sich bewegende Teilchen, zum Beispiel Elektronen, werden durch Wellenpakete beschrieben. Betrachtet man solche Wellenpakete, so kann deren Maximum zeitlich verfolgt werden und die dieser Bewegung zugeordnete Zeit wird in der Quantenmechanik ‚Eisenbud-Wigner-Smith-Zeit‘ (kurz EWS-Zeit) genannt.

Ein wichtiger Prozess dieser Art ist die Fotoionisation. Ein Photon trifft auf ein Atom und ‚kickt‘ ein Elektron aus dem gebundenen Zustand heraus. Es wird bis heute kontrovers diskutiert, wieviel Zeit dieser Prozess braucht und ob dies messbar ist. Für die Messung derart ultraschneller Vorgänge verwenden Forscher seit einigen Jahren erfolgreich die Methode des ‚Attosekunden-Streaking‘. Dem ionisierenden Ultraviolettlaserblitz wird ein zweiter langwelliger (z. B. Infrarot) Laserpuls zeitlich variabel überlagert, dessen Wellenform genau kontrollierbar ist. Das Fotoelektron erfährt nun je nach Zeitpunkt seiner Freisetzung im Laserfeld eine Beschleunigung oder Verzögerung. Die Messung seiner Geschwindigkeit erlaubt somit einen Rückschluss auf die zeitliche Verschiebung gegenüber dem auslösenden UV-Laserpuls.

Im Prinzip wäre somit die EWS-Zeit direkt zugänglich, allerdings sind noch zwei Effekte zu berücksichtigen: Zum einen spürt das herauslaufende Elektron die elektrische Anziehung (Coulomb-Kraft) des zurückbleibenden positiv geladenen Ions, zum anderen beeinflusst auch das Streaking-Laserfeld die Bewegung des Elektrons, was beides (sogenannte Coulomb-Laser-Kopplung) zu zusätzlichen Zeitdifferenzen führt. Diese müssen sehr genau bekannt sein, um die EWS-Zeit zu ermitteln. Genau an diesem Punkt setzen die neuen Untersuchungen der Arbeitsgruppe um Robert Moshammer aus der Abteilung Quantendynamik und –kontrolle am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik an. „Die Theorie erlaubt eine universelle Behandlung der Coulomb-Laser-Kopplung“, sagt Robert Moshammer. „Einerseits erscheint das Ion bei großen Abständen wie eine Punktladung, das heißt von außen sehen alle Ionen bei bekannter Ladung gleich aus, die EWS-Zeit hingegen wird allein durch die innere Struktur des Atoms beziehungsweise Ions bestimmt.“ Ferner sagt die Theorie aus, dass nur die Wellenlänge des Streaking-Lasers, nicht aber dessen Intensität eine Rolle spielt.

Den Heidelberger Physikern ging es daher um einen Test der Coulomb-Laser-Kopplung. Diese ist umso stärker, je größer die Wellenlänge des Streaking-Lasers und je langsamer die Fotoelektronen sind. Hierzu haben sie die Fotoionisation von Neon am Freie-Elektronen-Laser Flash in Hamburg untersucht und für das Streaking langwellige (0,15 mm) Terahertzlaserpulse verwendet. Zur Messung der Geschwindigkeit der Fotoelektronen diente ein Reaktionsmikroskop. Es lassen sich drei Ionisationskanäle unterscheiden: Ionisation aus den atomaren Zuständen 2p und 2s mit recht schnellen Fotoelektronen, sowie recht langsame Elektronen, die beim Weg aus dem Neonatom durch interne Kollision mit einem anderen Elektron einen zusätzlichen Energieverlust erleiden. Die Modulation der Elektronengeschwindigkeit durch den Streaking-Laser in Abhängigkeit vom variablen Zeitversatz gegenüber dem ionisierenden UV-Puls ist deutlich zu erkennen. Durch Auswahl verschiedener Geschwindigkeitsklassen der langsamen Fotoelektronen konnten die Physiker die Zeitdifferenz gegenüber dem Streaking der 2p-Fotoelektronen bestimmen. Für die gewählte Terahertzstrahlung dominiert die Coulomb-Laser-Wechselwirkung, die deutlich kürzeren EWS-Zeiten sind nicht aufgelöst. Die so ermittelten Zeitdifferenzen stimmen gut mit verschiedenen theoretischen Modellen überein und bestätigen das gegenwärtige Verständnis der Laser-Coulomb-Kopplung. Dies ist von entscheidender Bedeutung für die Auswertung und Deutung von Experimenten mit Attosekunden-Streaking, indem dort die bestimmbaren Zeitdifferenzen um den theoretisch bekannten Beitrag der Coulomb-Laser-Kopplung korrigiert werden können.

von mn

Originalveröffentlichung:

[G. Schmid et al., Terahertz field induced time shifts in atomic photoemission, Phys. Rev. Lett. 122 (2019), DOI:10.1103/PhysRevLett.122.073001]

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