Überraschende Verzögerung bei der Photoemission und neuer Mess-Rekord im Ultrakurzzeitbereich

Photoemission

München - Solarzellen und Nachtsichtgeräte beruhen auf dem photoelektrischen Effekt, Digitalkameras auf einer Variante davon - und Einstein bekam fürs Erklären 1921 den Nobelpreis und begründete so die Quantenphysik: Werden Elektronen durch die Energie von Licht zu stark angeregt, verlassen sie das Atom. Doch das altbekannte Phänomen hält noch Überraschungen bereit: Mit ultrakurzen Messmethoden stellte ein internationales Team um Münchner Forscher fest, dass das Elektron nach dem Auftreffen des Lichts nicht direkt entschwindet, sondern ganz kurz zögert. Modellrechnungen bestätigten den überraschenden Effekt, und als Ursache vermuten die Physiker kurze Wechselwirkungen innerhalb des Atoms. Ihre Ergebnisse, die sie im Fachblatt "Science" präsentieren, versprechen nicht nur ein besseres Verstehen von Elektronenbewegungen, die in allen elementaren chemischen und biologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen. Zugleich stellten die Forscher einen neuen Genauigkeitsrekord in der Zeitmessung auf: Die Verzögerung von 20 Attosekunden ist das kürzeste jemals in der Natur gemessene Zeitintervall.

"Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde, ein unvorstellbar kleiner Zeitraum. Doch eines der Elektronen verlässt das Atom messbar früher als das andere. Das heißt, dass Elektronen nach Anregung durch Licht kurz zögern, bevor sie das Atom verlassen", erklärt Reinhard Kienberger, Leiter der Forschungsgruppe Attosekundendynamik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching und Physikprofessor der Technischen Universität München (TMU). Bisher galt die Vermutung, dass sich ein Elektron sofort nach dem Auftreffen eines Lichtstrahls in Bewegung setzt. Dieser Zeitpunkt gilt laut Lehrbuch als Nullpunkt bei dieser Art der Elektronenanregung – eines der bedeutendsten Phänomene der Quantenphysik.

Am Labor für Attosekundenphysik (LAP) das MPQ hatten Kienberger und Kollegen hochenergetische Laserpulse auf Neongas-Atome gefeuert, mit Licht im nahen Infrarot (NIR) und einer Impulsdauer von etwa vier Femtosekunden (Millionstel einer milliardstel Sekunde). Gleichzeitig synchronisierte das Team einen zweiten Lichtblitz, mit einer Wellenlänge im extremen Ultraviolett (XUV) und kürzer als 180 Attosekunden lang. Dieser zweite Blitz diente dazu, Elektronen aus ihren Umlaufbahnen um den Atomkern zu kicken: entweder Elektronen aus dem äußeren 2p-Orbital oder aus dem weiter innen befindlichen 2s-Orbital. Der Femtosekunden-Laserpuls half beim Registrieren, zu welchem Zeitpunkt die Elektronen das Atom verließen. Fazit: Trotz zeitgleicher Anregung entfernten sich die Elektronen nicht sofort, sondern erst nach einem Zeitversatz von etwa 20 Attosekunden.

Um den überraschenden Effekt im Modell zu bestätigen, modellierten ihn die theoretischen Physiker des LAP-Teams um Dr. Vladislav Yakovlev von der Ludwig-Maximilians-Universität München. Unterstützung kam auch von der Technischen Universität Wien, der griechischen National Hellenic Research Foundation und des saudi-arabischen King Saud University-Max-Planck-Institute of Quantum Optics. Mit aufwändigen Rechenarbeiten konnten die Forscher den beobachteten Effekt qualitativ untermauern. Allerdings zeigten die Ergebnisse nur eine Verzögerung von etwa fünf Attosekunden. Vermutlich liegt dieser Unterschied zwischen Theorie und Praxis in der Komplexität des Neon-Atoms begründet, das immerhin 10 Elektronen beherbergt, so Yakovlev: "Der Rechenaufwand für das gesamte Atommodel unter Einbezug aller Wechselwirkungen zwischen allen Elektronen übersteigt die Rechenkapazität von heutigen Supercomputern".

Das Team vermutet, dass die Elektronen in ihrer Reaktion auf das Licht nicht nur mit ihrem Atomkern interagieren, sondern sich auch untereinander beeinflussen. Diese Wechselwirkung könne bewirken, dass ein angeregtes Elektron noch für eine kurze Zeit im Elektronenverbund quasi festgehalten wird, bevor es das Atom verlassen "darf". Solche Erkenntnisse über Elektronenbewegungen und -wechselwirkungen dürften die Forschung weltweit vorantreiben. Sie spielen nicht nur bei elementaren Prozessen in der Chemie und Biologie eine Hauptrolle, sondern bestimmen etwa auch die Rechengeschwindigkeit von Computern, nämlich das Arbeitstempo von Mikroprozessoren.