Forschung & Entwicklung

Rätsel um Photonenimpuls gelöst

Reicht die Energie von Photonen aus, so schlagen sie Elektronen aus einem Atom heraus. Aber wohin geht dabei der Impuls der Photonen? Diese Frage wurde nun beantwortet.

Für ihre Untersuchungen entwickelten und bauten Forscher der Goethe-Universität Frankfurt ein neues Spektrometer mit bisher unerreichter Auflösung. In dem drei Meter langen und 2,50 Meter hohen Gerät befindet sich ein extrem leistungsfähiger Laser. Seine Photonen treffen in der Apparatur auf einzelne Argonatome, denen sie jeweils ein Elektron entreißen. Der Impuls dieser Elektronen zum Zeitpunkt des Aufbrechens wird in einer langen Röhre der Apparatur mit extrem hoher Präzision gemessen.

Bei dem Gerät handelt es sich um eine Weiterentwicklung des in Frankfurt erfundenen Coltrims-Prinzips: Es besteht darin, einzelne Atome zu ionisieren oder Moleküle aufzubrechen und anschließend den Impuls der Bruchstücke exakt zu bestimmen. Allerdings ist der laut theoretischen Berechnungen erwartete Übertrag des Photonenimpulses auf Elektronen so klein, dass er bisher nicht gemessen werden konnte. Deshalb hat Hartung das ‚super Coltrims‘ gebaut.

Wenn viele Photonen aus einem gepulsten Laser auf ein Argonatom treffen, wird dieses ionisiert. Die Energie der Photonen wird dabei teilweise zum Aufbrechen des Atoms verbraucht. Die übrige Energie geht auf das freigesetzte Elektron über. Die Frage, bei welchem Reaktionspartner (Elektron oder Atomkern) dabei der Impuls der Photonen bleibt, beschäftigt Physiker seit über 30 Jahren. „Die einfachste Idee wäre: Solange das Elektron gebunden ist, geht der Impuls auf das schwere Teilchen, also den Atomkern, über. Sobald es frei ist, geht der Photonenimpuls auf das Elektron über“, erklärt Professor Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik.

Die Antwort, die Alexander Hartung in seinem Experiment gefunden hat, ist überraschend: Das Elektron bekommt nicht nur den erwarteten Impuls, sondern auch noch ein Drittel des Photonenimpulses, der eigentlich auf den Atomkern hätte übergehen sollen. Um das Ergebnis genauer zu erklären, greift Hartung auf das Bild des Lichts als elektromagnetische Welle zurück: „Wir wissen, dass die Elektronen eine schmale Energiebarriere durchtunneln. Dabei zieht sie das starke elektrische Feld des Laserlichts vom Atomkern weg, während das magnetische Feld den Elektronen diesen zusätzlichen Impuls überträgt.“

Um sicher zu gehen, dass der kleine Zusatzimpuls der Elektronen nicht versehentlich durch eine Asymmetrie in der Apparatur erzeugt wird, hat er den Laserpuls von zwei Seiten auf das Gas treffen lassen – mal nur von rechts oder links, und dann gleichzeitig, was die größte Herausforderung an die Messtechnik darstellte. Diese neue Art der Präzisionsmessung verspricht, die bisher unerforschte Rolle der magnetischen Komponente des Laserlichts in der Atomphysik tiefgreifend zu verstehen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[A. Hartung et al., Magnetic fields alter tunneling in strong-field ionization, Nature Physics (2019), DOI: 10.1038/s41567-019-0653-y]

www.uni-frankfurt.de

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