Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.

Premiere: Physiker filmen erstmals Elektron

Ein kamerascheueres Filmobjekt war kaum aufzutreiben: Forschern ist es zum ersten Mal gelungen, die Bewegung eines Elektrons zu filmen. Das Kunststück gelang mit einer Technik, die auch den Flügelschlag von Kolibris sichtbar macht.

Ein Elektron reitet auf einer Lichtwelle - so beschreiben Johan Mauritsson und seine Kollegen vom schwedischen Lund Institute of Technology das Geschehen in einem nur wenige Sekunden langen Videoclip. Es ist eine Premiere: Noch nie zuvor ist es Forschern gelungen, die Bewegung von Elektronen zu filmen. Nur mit indirekten Methoden konnten sie bislang den Weg der Elementarteilchen verfolgen, nachdem sie aus einem Atom herausgelöst worden waren.

Nun beschreibt Mauritssons Team im Fachblatt "Physical Review Letters", wie ihnen die Aufnahmen gelungen sind. Sie kombinierten ultrakurze Lichtimpulse mit einem stetigen Laserlicht. Die Physiker bezeichnen ihr Experiment als Quantenstroboskop.

Mit einem Stroboskop kann man zum Beispiel den schnellen Flügelschlag eines Kolibris auch für herkömmliche Kameras und das menschliche Auge sichtbar machen. Wenn Lichtblitze den Vogel in der Frequenz beleuchten, die seinem Flügelschlag entspricht, entsteht ein scharfes Bild.

Ganz ähnlich funktioniert das von Mauritsson konzipierte Experiment: Das oszillierende elektrische Feld eines Infrarotlasers ionisiert Heliumatome, löst also Elektronen aus ihrer Hülle heraus. Weil das Laserlicht aus Elektronenperspektive jedoch relativ langsam schwingt, ist das Ergebnis alles andere als scharf. Denn Elektronen werden nicht nur im Moment der maximalen elektrischen Feldstärke, sondern auch kurz davor und danach aus der Atomhülle geholt. Ein stetiges, seitliches elektrisches Feld lenkt die herausgelösten Elementarteilchen in Richtung eines Detektors. Die dort registrierten Positionen zeichnen ein Bild der Elektronen-Bewegung.

Film zeigt Energieverteilung

Mit zusätzlichen ultrakurzen Lichtimpulsen gelang es den Forschern, das eigentlich unscharfe Bild auf dem Detektor zu schärfen. Nur 300 Attosekunden dauert ein solcher Lichtimpuls, eine Attosekunde sind 10-18 Sekunden. Das Wissenschaftlerteam synchronisierte die Lichtimpulse mit den Schwingungen des relativ schwachen Infrarotlasers, so dass die Wolke aus Heliumatomen zu einem festen Zeitpunkt innerhalb des Laserzyklus einen kräftigen Ionisierungskick bekam. Jeder Attosekunden-Impuls erzeugte Elektronen, die dann an einem Detektor registriert wurden.

Durch die Überlagerung der Daten vieler einzelner solcher Ionisierungsvorgänge entstand ein klares Bild des Quantenzustands eines Elektrons zu einem festen Moment des Laserschwingungszyklus. Der Clip zeigt die Energieverteilung eines Elektrons, es handelt es sich also nicht um einen Film im herkömmlichen Sinn.

"Wir haben der Forschergemeinde schon lange versprochen, dass wir Attosekunden-Impulse nutzen können, um die Bewegung von Elektronen zu filmen", sagte Mauritsson. Nun könne man Elektronen untersuchen, wenn sie etwa mit Objekten kollidierten. "Die Bilder können zur Bestätigung von Theorien dienen." Die Forscher hoffen, mit ihrer Methode Elektron-Atom-Wechselwirkungen künftig detaillierter untersuchen und Atome während der Ionisierung beobachten zu können.

hda

Diesen Artikel...

© SPIEGEL ONLINE 2008
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH





Der kompakte Nachrichtenüberblick am Morgen: aktuell und meinungsstark. Jeden Morgen (werktags) um 6 Uhr. Bestellen Sie direkt hier: