Forschung & Entwicklung

Ultraschnelle Reaktion von laserangeregtem supraflüssigem Helium

Die ultraschnelle Reaktion von Heliumnanotröpfchen nach Anregung mit extremer ultravioletter Strahlung lässt sich durch einen Freie-Elektronen-Laser in Echtzeit verfolgen.

Laser für hochintensive und extreme ultraviolette Strahlung (XUV) sowie Röntgenstrahlung eröffnen Forschern neue Möglichkeiten, um die grundlegenden Eigenschaften von Materie genau zu untersuchen. Bei vielen der dafür stattfindenden Experimente sind Materialproben im Nanometerbereich von besonderem Interesse. Einige Wissenschaftler verwenden dabei nanometergroße Heliumtröpfchen als Transportmittel, um eingebettete Moleküle und molekulare Strukturen zu untersuchen. Sie haben eine extrem niedrige Temperatur von nur 0,37 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt und können sich reibungslos bewegen. Zudem sind Heliumtröpfchen an chemischen Vorgängen der eingebetteten Moleküle meist nicht beteiligt und für infrarotes sowie sichtbares Licht völlig transparent.

Wie das supraflüssige Heliumnanotröpfchen selbst reagiert, wenn es direkt von einem intensiven XUV-Laserpuls getroffen wird, wollte nun ein Team um Professor Frank Stienkemeier vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg und Dr. Marcel Mudrich von der Universität Aarhus/Dänemark herausfinden. Dafür nutzten die Forscher den Freie-Elektronen-Laser FERMI in Triest/Italien, der wellenlängenabstimmbare hochintensive XUV-Pulse liefert. Gestützt von Modellrechnungen identifizierten die Wissenschaftler dadurch drei elementare Reaktionsschritte: eine sehr schnelle Lokalisierung von Elektronen, die Besetzung metastabiler Zustände sowie die Bildung einer Hohlraumblase, die schließlich an der Oberfläche der Tröpfchen zerplatzt und dabei ein einzelnes angeregtes Heliumatom ausstößt.

„Es ist uns erstmalig gelungen, diese Prozesse im supraflüssigen Helium, die in extrem kurzer Zeit ablaufen, direkt zeitlich zu verfolgen“ sagt Mudrich. „Die Ergebnisse helfen zu verstehen, wie Nanopartikel mit energetischer Strahlung wechselwirken und zerfallen“, ergänzt Stienkemeier. Das sei eine nötige Grundlage für die Arbeiten zur direkten Abbildung einzelner Nanopartikel, wie sie an neuen intensiven Strahlungsquellen wie dem europäischen Röntgenlaser XFEL in Hamburg vorangetrieben würden.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Mudrich et al., Ultrafast relaxation of photoexcited superfluid He nanodroplets, Nat. Commun. 11 (2020), DOI: 10.1038/s41467-019-13681-6]

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