Schwingende Elektronenwolke mit Laser abgebildet

(Nanowerk News) Physiker des Heidelberger Max-Planck-Instituts fĂŒr Kernphysik haben mit ultraschnellen Laserblitzen die Elektronenbewegung in einem Atom abgelichtet. Untersucht wurde die Überlagerung zweier QuantenzustĂ€nde in Argon-Ionen, die sich als schwingende Ladungswolke zeigt. In der Auswertung konnten sie ein direktes Abbild der zeitlichen Entwicklung einer Wellenfunktion mehrerer Elektronen gewinnen. Das Ergebnis zeigt eine gute Übereinstimmung mit Simulationsrechnungen und ist ein Test gĂ€ngiger Modelle zur Tunnelionisation ("Strong-Field Tunneling from a Coherent Superposition of Electronic States").
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Elektronengeschwindigkeit senkrecht zum Laserfeld
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Elektronengeschwindigkeit senkrecht zum Laserfeld: dargestellt ist die Differenz der gemessenen zeitabhĂ€ngigen Verteilung zur mittleren Verteilung (FarbflĂ€che – rot: negative Abweichung, grĂŒn: positive Abweichung). Im Zustand m = 0 bewegt sich das Elektron vorzugsweise in Richtung des Laserfeldes – die Geschwindigkeiten senkrecht dazu fallen kleiner aus. Die ZustĂ€nde m = ±1 können als ‚Kreisbewegung‘ in der Ebene senkrecht zum Laserfeld veranschaulicht werden – mit hier entsprechend grĂ¶ĂŸerer Geschwindigkeit. Pendelt das Elektron nun zwischen den beiden ZustĂ€nden, so beobachtet man abwechselnd in der Differenz ein Defizit bzw. einen Überschuss bei kleineren bzw. grĂ¶ĂŸeren Geschwindigkeiten.
Es ist ein alter Wunschtraum vieler Physiker, die Bewegung eines Elektrons in einem Atom möglichst direkt zu vermessen. Dazu muss das Elektron aber aus seinem gebundenen Zustand befreit werden, z. B. durch Beschuss mit geladenen Teilchen (Elektronen oder Ionen) oder Licht. Die Schwierigkeit liegt darin, dass dabei die anfÀngliche Bewegung gestört wird und diese Störung nicht auf einfache Weise aus dem Messergebnis herausgerechnet werden kann.
GemĂ€ĂŸ einem Gedankenexperiment von Heisenberg könnte man die positive Ladung des Atomkerns ausschalten und das negativ geladene Elektron wĂŒrde einfach mit der Geschwindigkeit, die es in diesem Moment hat, herausfliegen. Freilich mĂŒsste man dies vielfach wiederholen, da die Geschwindigkeit im Atom als Quantensystem nicht genau bestimmt ist. Das Ergebnis wĂ€re dann die gesuchte statistische Geschwindigkeitsverteilung des Elektrons. Anschaulich wĂŒrde eine Kugel, die in einer SchĂŒssel umherkreist, dadurch befreit, dass man die SchlĂŒssel schlagartig verschwinden lĂ€sst. Dies ist aber in der RealitĂ€t genauso wenig möglich wie das Abschalten der Kernladung. Wohl aber kann man die SchĂŒssel kippen und die Geschwindigkeit der herauslaufenden Kugel vermessen.
Analog geschieht genau das, wenn ein Atom dem starken elektrischen Feld eines intensiven Lasers ausgesetzt wird – das Elektron kann hier nicht nur ĂŒber den SchĂŒsselrand hinweglaufen, sondern sogar durch diesen hindurch ‚tunneln‘.
Physiker aus der Gruppe um Robert Moshammer am Heidelberger Max-Planck-Institut fĂŒr Kernphysik haben als besonders interessanten Anfangszustand die Überlagerung zweier Orbitale im Edelgas Argon betrachtet. Die Bindungsenergien in beiden Orbitalen sind Ă€hnlich, sie haben aber eine unterschiedliche Ausrichtung im Raum. Charakterisiert sind sie durch die so genannte magnetische Quantenzahl m, welche hier die Werte -1, 0 oder +1 haben kann. FĂŒr m = 0 ist die Elektronenwolke hantelförmig entlang des Laserfeldes ausgerichtet, fĂŒr m = ±1 dagegen reifenförmig in einer Ebene senkrecht dazu (Abbildung). PrĂ€pariert wird diese Überlagerung durch Tunnelionisation in einem ersten Laserimpuls, der genau ein Elektron entfernt – zurĂŒck bleibt daher eine Überlagerung zweier 'LochzustĂ€nde'.
Wird nun das so prĂ€parierte Ar+-Ion nach einer bestimmten Verzögerung von einem zweiten Laserimpuls getroffen, so kann eines der fĂŒnf verbleibenden Valenz-Elektronen entfernt werden. Diese verhalten sich komplementĂ€r zu dem Lochzustand und sind daher auch als eine solche Überlagerung beschreibbar. Misst man die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Elektron im zweiten Laserimpuls freigesetzt wird, so schwankt sie periodisch mit der Verzögerungszeit. Dies entspricht genau dem quantenmechanischen Verhalten einer solchen Überlagerung, die zwischen den Orbitalen mit m = 0 und m = ±1 hin- und herpendelt. FĂŒr m = 0 ist das Elektron wegen der Ausrichtung des Orbitals parallel zum elektrischen Feld (der angreifenden Kraft) leichter zu ionisieren und es wird auch bevorzugt in diese Richtung freigesetzt.
Die Geschwindigkeiten der Elektronen haben aber auch eine Komponente senkrecht (transversal) zum Laserfeld. Da in dieser Richtung der Laser keine Kraft ausĂŒbt, könnte man erwarten, damit einen direkten Zugang zur anfĂ€nglichen Geschwindigkeitsverteilung im gebundenen Zustand zu erhalten. Es sind aber zwei Störeffekte zu berĂŒcksichtigen: Erstens wird die Tunnelstrecke bei ‚schiefer‘ Durchdringung der Barriere etwas lĂ€nger. Zweitens stört die stets vorhandene Anziehungskraft des Atomkerns die beobachtete Verteilung.
Um dieses Problem zu umgehen, haben die Forscher folgenden Trick angewandt: Sie bestimmten die Differenz der transversalen Geschwindigkeitsverteilung fĂŒr einen bestimmten Zeitpunkt zur zeitgemittelten Verteilung. Als Zeitpunkte wĂ€hlten sie jene, wo sich das Elektron ĂŒberwiegend im Orbital mit m = 0 bzw. m = ±1 befindet.
"Durch die Differenzbildung fallen die Störeffekte weitgehend heraus, da sie zeitunabhĂ€ngig sind, wĂ€hrend die zeitabhĂ€ngige Schwingung der Elektronenwolke deutlich sichtbar bleibt", erlĂ€utert Lutz Fechner, Doktorand in der Gruppe von Robert Moshammer. "Somit sind wir in der Lage, mit unseren Messungen gĂ€ngige theoretische Modelle fĂŒr die Tunnelionisation zu testen. Wir waren sogar ĂŒberrascht, wie gut die Übereinstimmung mit einem einfachen theoretischen Modell ist, welches die Störung durch die Kernladung gar nicht berĂŒcksichtigt."
Von zukĂŒnftigen Experimenten erwarten die Forscher detaillierte Informationen ĂŒber den Ionisationsprozess in starken Laserfeldern und ĂŒber die Dynamik mehrerer gebundener Elektronen.
Source: Max-Planck-Institut fĂŒr Kernphysik
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