Schnappschüsse von einem angeregten Atom Zeitliche Auflösung von weniger als einer billiardstel Sekunde
Als Ende des 19."Jahrhunderts zum ersten Mal entlang einer Rennstrecke
aufgereihte Fotoapparate benutzt wurden, um ein galoppierendes Pferd
aufzunehmen, machte die Fachwelt eine interessante Entdeckung: Das Pferd
"schwebte" tatsächlich für den Bruchteil einer Sekunde vollständig in
der Luft, ohne dass eines seiner Beine den Boden berührte. Ohne das
technische Hilfsmittel der Photographie hätte man dies nie zweifelsfrei
nachweisen können, da das menschliche Auge so schnelle Bewegungen nicht
auflösen kann. Seit diesen frühen Versuchen, immer schnellere Vorgänge
in der Natur zu untersuchen, hat die Wissenschaft enorme Fortschritte
gemacht, die vor allem durch die Erzeugung immer kürzerer Lichtpulse
möglich wurden. Einen neuen Rekord haben nun Physiker der Universitäten
in Bielefeld und Wien aufgestellt. Die Forscher befassten sich mit einem physikalischen Vorgang, der eine
Billiarde Mal schneller abläuft als der Galopp eines Pferdes. Wird ein
Atom mit Strahlung hoher Energie (zum Beispiel Röntgenstrahlung)
beschossen, so kann diese ein dicht am Atomkern sitzendes und deshalb
stark gebundenes Elektron aus dem Atom herausschlagen. In der
entsprechenden Elektronenschale bleibt ein "Loch" zurück, das das Atom
so schnell wie möglich wieder aufzufüllen versucht. Bereits nach wenigen
Femtosekunden (billiardstel Sekunden) gelingt es dem Atom in der Regel,
das Loch mit einem anderen Elektron zu stopfen und die Schale so wieder
stabil zu machen. Aus Gründen der Energieerhaltung wird bei diesem
Prozess ein weiteres Elektron (Auger-Elektron) ausgesandt. Ein genauer
Einblick in derart schnelle Vorgänge blieb den Wissenschaftern bisher
allerdings verwehrt. Die Experimente des deutsch-österreichischen Forscherteams haben nun
gezeigt, wie man die Abregung des Atoms mit hoher Zeitauflösung
verfolgen kann. In ihren Versuchen schlugen die Physiker mit Hilfe eines
knapp eine Femtosekunde langen Röntgenstrahl-Pulses ein inneres Elektron
aus einem Kryptonatom. Kurz darauf liessen sie einen fünf Femtosekunden
langen Laserpuls folgen, dessen elektrisches Feld das frei werdende
Auger-Elektron beschleunigte. Die Beschleunigung hing entscheidend davon
ab, an welcher Stelle ihres Schwingungszyklus sich die Laserwelle zum
Zeitpunkt der Aussendung des Auger-Elektrons befand. Schwang sie auf, so
wurde dieses nach oben beschleunigt, wogegen ein Abschwung der Welle das
Elektron nach unten fliegen liess. Die Energie, die das Auger-Elektron im Feld des Lasers aufnimmt, und
die Richtung, in die es davonfliegt, verrät also indirekt, zu welchem
Zeitpunkt es emittiert wurde. Indem die Forscher das Zeitintervall
zwischen den beiden Pulsen kontinuierlich variierten, konnten sie den
nur wenige Femtosekunden dauernden Prozess des Loch-Auffüllens Schritt
für Schritt verfolgen. In Zukunft sollten Physiker in der Lage sein,
selbst atomare Vorgänge, die sich in Bruchteilen von billiardstel
Sekunden abspielen, zeitlich aufzulösen. Einen Namen, hergeleitet von
der Masseinheit für den tausendstel Teil einer Femtosekunde, hat diese
Forschungsrichtung schon: Attophysik. Quelle: Nature 419, 789-790; 803-807 (2002). Oliver Morsch
