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Public Release Date: 5-Apr-2007

Elektronen beim tunneln erwischt

Ein internationales forscherteam beobachtet erstmals den quantenmechanischen tunnelvorgang

Diese Entlassung ist auch verfgbar auf Englisch.



Abb. 1: Zwei Mglichkeiten, einen Berg zu berwinden. In der klassischen Physik muss man den Berg besteigen, um auf die andere Seite zu gelangen. In der Quantenphysik geht das jedoch auch anders: Objekte knnen den Berg einfach waagerecht durchqueren - sie tunneln.

Wir mssen einen Berg erklimmen, um ihn zu berwinden - in der Quantenphysik geht das auch anders: Objekte knnen auf die andere Seite eines Hgels gelangen, indem sie ihn einfach durchtunneln, anstatt mhsam ber ihn zu klettern. Ein internationales Forscherteam um Prof. Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut fr Quantenoptik hat nun erstmals Elektronen bei diesem Tunnelprozess beobachtet. Dieser Vorgang ist fr die Ionisation von Atomen unter dem Einfluss starker elektromagnetischer Felder verantwortlich: Die Elektronen berwinden die anziehende Kraft des Atomkerns, indem sie durch einen Potenzialwall tunneln. Mit ultrakurzen Laserpulsen haben die Wissenschaftler nun diskrete Ionisationsstufen in diesem Prozess nachgewiesen, die jeweils einige 100 Attosekunden dauern, also ein Bruchteil einer Billiardstel Sekunde. Die Ergebnisse tragen entscheidend zu einem tieferen Verstndnis bei, wie sich Elektronen in Atomen und Moleklen bewegen.

So wie die Schwerkraft einen Krper auf dem Boden eines Tals zur Ruhe kommen lsst, so halten die Kernkraft, die Protonen und Neutronen zum Atomkern zusammenbindet, und die elektrische Kraft, die die negativ geladenen Elektronen mit dem positiv geladen Atomkern zu einem Atom zusammenfgt, diese Teilchen innerhalb eines winzig kleinen Raumes fest. Dieser Bindungseffekt lsst sich ebenfalls durch eine Art Tal darstellen, das die Physiker auch Potenzial nennen. In der Welt der Quantenteilchen gehrt es gewissermaen zur Tagesordnung, den Wall, der den Potenzialtopf umgibt, zu durchtunneln. Ein internationales Forscherteam um Ferenc Krausz hat die Elektronen nun dabei ertappt, wie sie unter dem Einfluss von Laserlicht durch das Bindungspotenzial des Atomkerns tunneln. Die Physiker nutzten dafr die neuen Werkzeuge der Attosekundenmetrologie. "Unser Ergebnis besttigt zum ersten Mal in einer Echtzeitbeobachtung die theoretischen Vorhersagen der Quantenmechanik", sagt Ferenc Krausz, Direktor am Max-Planck-Institut fr Quantenoptik und Leiter des Wissenschaftlerteams.



Abb. 2: Das elektrische Feld des Laserpulses bt eine starke Kraft auf ein am Rande des Atoms befindliches Elektron (grne Wolke um den Atomkern) aus. Diese Kraft ndert sich mit der Zeit. In nur etwa einer Femtosekunde, einer Trillionstel Sekunde, wechselt sie ihre Richtung - zum Zeitpunkt t1 wirkt sie mit maximaler Strke nach rechts, zum Zeitpunkt t2 mit maximaler Strke nach links, und nach einer weiteren Femtosekunde, zum Zeitpunkt t3, wieder nach rechts.

Der Tunnel-Effekt lsst sich aus dem Wellencharakter jedes Teilchens erklren. Makroskopische Objekte besitzen allerdings eine extrem geringe Tunnelwahrscheinlichkeit, weshalb dieses Phnomen hier noch nie beobachtet worden ist. Im Gegensatz dazu knnen die Teilchen des Mikrokosmos mit einer durchaus bedeutenden Wahrscheinlichkeit durch Gebiete tunneln, in denen sie sich nach den Gesetzen der klassischen Physik gar nicht aufhalten drften. Der Tunnelprozess wird fr so verschiedene Prozesse wie den Zerfall von Atomkernen oder den Schaltvorgang in elektronischen Bauelementen verantwortlich gemacht. Da er aber nur extrem kurze Zeit dauert, ist er bislang noch nie in Echtzeit beobachtet worden.



Abb. 3: Jedes Mal, wenn ein Wellenberg auf das Atom trifft, wchst die Wahrscheinlichkeit dafr, dass ein Elektron freigesetzt wird, stufenweise innerhalb von einigen 100 Attosekunden an. Dieses von der Theorie vorhergesagte Phnomen hat sich ber mehr als vier Jahrzehnte der direkten Beobachtung entzogen - einem internationalen Wissenschaftlerteam gelang jetzt erstmals der Nachweis.

Krausz und seine Mitarbeiter haben ihn jetzt mit Hilfe zweier Lichtpulse live verfolgt: einem intensiven Puls aus nur wenigen Wellenzgen roten Laserlichts, und einem Attosekunden-Puls im Extremem Ultravioletten, der mit dem roten Puls perfekt synchronisiert ist. Das elektrische Feld der Laserpulse bt periodisch starke Krfte auf die Elektronen aus: Zu den Zeiten maximaler Strke drckt die Lichtkraft den Potenzialwall nach unten. Fr einen kurzen Augenblick um den Hhepunkt des Wellenbergs herum hat das Elektron die Chance, die Barriere zu durchdringen und dem Atom zu entkommen. Diese Mglichkeit besteht ausschlielich bei den Wellenbergen, das heit nur in einem extrem kurzen Zeitintervall von einem Bruchteil einer Femtosekunde, einer Trillionsten Sekunde.

Kein Instrument kann den Tunnel-Vorgang direkt auflsen. Nachweisen lassen sich nur die Endprodukte, das heit die Atome, die im Anschluss an den Laserpuls in ein Elektron und ein positiv geladenes Ion zerfallen sind. Die Forscher mussten sich daher eines Tricks bedienen, indem sie als Untersuchungsobjekte Neonatome verwendeten. Hier befinden sich die Elektronen in abgeschlossenen Schalen, sind daher besonders fest gebunden und widersetzen sich den Bestrebungen des Laserpulses, sie aus dem Atom zu lsen. Nur Elektronen, die von einem Attosekunden-UV-Blitz getroffen werden, gelangen an die Peripherie des Atoms und knnen sich durch Tunneln aus dem Atom befreien. Daher knnen die Physiker nur Neonatome, die sie zuerst mit einem solchen Blitz prparieren, spter mit einem roten Laserpuls ionisieren.

"Mit einem nur 250 Attosekunden dauernden UV-Puls, der zeitlich genau mit dem roten Laserpuls synchronisiert war, haben wir ein Elektron zu jedem beliebigen Zeitpunkt innerhalb der Laserwelle mit Attosekundenprzision an die Peripherie befrdert", erklrt Krausz. Die Forscher verschoben diesen Zeitpunkt, Schritt fr Schritt, und maen dabei die Zahl der Atome, die vom Laser ionisiert wurden. Auf diese Weise konnten sie den zeitlichen Verlauf des Ionisierungsprozesses rekonstruieren. Wie von der Theorie vorhergesagt, verlieen die Elektronen die Atome in der unmittelbaren Nhe der intensivsten Wellenberge, wie aus den diskreten, mit den Wellenbergen zusammenfallenden Ionisationsstufen in Abb. 3 (grne Linie) gut zu erkennen ist. Auf diesen Stufen verweilen die Elektronen weniger als 400 Attosekunden: Innerhalb einer derart kurzen Zeit werden die Elektronen durch die Lichtkraft aus den Atomen freigesetzt.

"Die Experimente gewhren nicht nur zum ersten Mal einen Einblick in die Dynamik des Elektronen-Tunnelns", sagt Krausz: "Wir haben zudem gezeigt, dass sich die Bewegung von Elektronen in Atomen oder Moleklen mit Hilfe des Laserfeld-induzierten Tunnelns in Echtzeit beobachten lsst." Auf der Basis dieser Erkenntnis und der so ermglichten Kontrolle ber die inneratomare Elektronenbewegung knnen Wissenschaftler in der Zukunft erforschen, wie sich die Grenzen der Mikroelektronik verschieben lassen, oder kompakte brillante Rntgenquellen entwickeln. Diese werden ihrerseits Fortschritte bei der Abbildung biologischer Objekte und der Strahlentherapie ermglichen.

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Verwandte Links:

[1] The Munich-Centre for Advanced Photonics

Originalverffentlichung:

M. Uiberacker, Th. Uphues, M. Schultze, A. J. Verhoef, V. Yakovlev, M. F. Kling, J. Rauschenberger, N. M. Kabachnik, H. Schrder, M. Lezius, K. L. Kompa, H.-G. Muller, M. J. J. Vrakking, S. Hendel, U. Kleineberg, U. Heinzmann, M. Drescher und F. Krausz

Attosecond real-time observation of electron tunnelling in atoms

Nature, 5. April 2007

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