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Matthias Wollenhaupt

Stefanie Kerbstadt

12. Februar 2019   052/19    Forschung

Elektronen mit ungewöhnlicher Symmetrie

Oldenburger Physiker kontrollieren Elektronen mit ultraschnellen Laserpulsen

Oldenburg. Symmetrien sind in der Natur allgegenwärtig – etwa die Spiegelsymmetrie der Hände oder die sechszählige Symmetrie einer Schneeflocke. Siebenzählige Symmetrien sind in der Natur jedoch sehr selten. Physikern der Universität Oldenburg ist es nun erstmals gelungen, in Experimenten gezielt Elektronenwellen mit siebenzähliger Symmetrie zu erzeugen. Der konkrete Vorgang wird Photoionisation genannt. Dabei wird ein Elektron mit Hilfe von Licht aus einem Atom oder Molekül gelöst – ähnliche wie der erste Schritt der Stromerzeugung in Solarzellen. Die Ergebnisse sind online im Fachmagazin Nature Communications erschienen. Sie könnten dazu beitragen, neuartige und ultraschnell steuerbare Elektronenquellen mit ungewöhnlichen Eigenschaften bereitzustellen.

Bereits vor gut zwei Jahren konnten die Oldenburger Experimentalphysiker zeigen, dass sie mit Hilfe extrem kurzer Laserpulse die Ladungstrennung, also das Herauslösen eines Elektrons aus einem Atom, für die Erzeugung von Elektronenwirbeln nutzen können. „Nun sind wir noch einen Schritt weiter“, sagt Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt, Leiter der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Kohärente Dynamik (ULTRA). „Unsere Experimente zeigen, dass es mit Hilfe modernster Lasertechniken gelingt, die Eigenschaften der bei der Photoionisation ausgesendeten Elektronen hochpräzise zu kontrollieren. Elektronenwellen mit siebenzähliger Symmetrie hat bisher noch niemand im Experiment beobachtet.“

Der Schlüssel hierzu sind maßgeschneiderte Laserblitze von der Dauer einiger Femtosekunden, also billiardstel Sekunden. Zum Vergleich: In drei Sekunden – also der Zeitspanne, die der Mensch als einen zusammenhängenden Moment wahrnimmt – vergehen etwa so viele Femtosekunden, wie Minuten seit Bestehen des Universums vergangen sind. Dank neuartiger experimenteller Techniken können Forscher solche Laserblitze, auch Pulse genannt, in Raum und Zeit gezielt manipulieren: Durch Überlagerung zweier Laserpulse verschiedener Farbe sind die Oldenburger Physiker in der Lage, in ihrem Experiment nahezu beliebige gerad- oder ungeradzahlige Symmetrien des Strahlungsfeldes zu herzustellen. Auf diese Weise erzeugten sie beispielsweise nach Belieben abstimmbare propellerförmige oder herzförmige Laserpulsformen.

Den Forschern ist es nun erstmals gelungen, diese ungewöhnlichen Symmetrieeigenschaften der Laserpulse gezielt auf Elektronenwellen zu übertragen. Dafür bestrahlten sie ein Ensemble von Natrium-Atomen mit speziell eingestellten Laserfeldern. Natrium-Atome sind dank ihres Aufbaus für solche Experimente besonders geeignet, denn sie besitzen nur ein einziges Elektron in ihrer äußeren Hülle. „Die Ergebnisse offenbaren ein überraschendes Wechselspiel zwischen den Symmetrien des Laserfeldes und den beobachteten Eigenschaften der Elektronenwellen“, sagt Stefanie Kerbstadt, die ebenfalls an der Arbeit beteiligt war. Neben der siebenzähligen Symmetrie der Elektronen konnten die Physiker dabei die Photoelektronen auch halbmondförmig lokalisieren oder zu einem Wirbel formen.

Diese ultraschnelle Prozesse beobachteten die Forscher mit einer tomographische Methode, die sie selbst entwickelt haben: Ähnlich wie in der medizinischen Computertomographie entstehen dabei dreidimensionale Bilder, die das komplexe Geschehen der Ladungstrennung sichtbar machen. Dabei messen die Physiker die sogenannten Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen, also wie sich die Elektronen in Millionen von Beobachtungen verhalten.

„Mit unseren Experimenten wollen wir grundlegend verstehen, wie man mit zeitlich strukturierten, sogenannten polarisationsgeformten,  Laserpulsen die Wechselwirkung von Licht und Materie im Innersten kontrollieren kann“, sagt Experimentalphysiker Wollenhaupt. Zwar seien natürliche Prozesse, etwa die Wechselwirkung des Lichts mit großen Molekülen, deutlich komplexer als die Photoionisation von Atomen unter Laborbedingungen. Der zugrundeliegende physikalische Mechanismus sei dennoch auf andere Bereiche der Physik übertragbar, betont er. Ladungsträger kontrolliert auszusenden könnte beispielsweise helfen, elektrische Ströme ultraschnell zu schalten und zu steuern oder neuartige Elektronenquellen für die Grundlagenforschung zu entwickeln. Ziel der Oldenburger Physiker ist zudem, die Erzeugung von noch kürzeren Laserpulsen im Bereich von Attosekunden, also einer tausendstel Femtosekunde, mit diesen neuartigen Laserpulsen zu kontrollieren.

Originalpublikation: S. Kerbstadt, K. Eickhoff, T. Bayer & M. Wollenhaupt (2019): Odd electron wave packets from cycloidal ultrashort laser fields. Nature Communications 10, 658. DOI: 10.1038/s41467-019-08601-7

Weblinks

• uol.de/physik/
• dx.doi.org/10.1038/s41467-019-08601-7

Bilder

Links: Tomographische Rekonstruktion der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der ausgesendeten Photoelektronen bei Verwendung propellerförmiger Laserpulsformen. Diese entstehen durch Überlagerung zweier Laserpulse verschiedener Farbe: die Polarisation des roten Pulses rotiert im Uhrzeigersinn, die des blauen entgegen dem Uhrzeigersinn. Rechts: Wenn die Polarisation des roten und des blaue Pulses in die gleiche Richtung rotieren entstehen Laserpulse mit einem herzförmigen Profil. Die rekonstruierte Elektronenverteilung besitzt dann eine halbmondförmige Struktur. Durch Variation der Laserparameter werden die entstehenden Elektronstrukturen gezielt kontrolliert – beispielsweise gedreht oder in einen Elektronenwirbel umgewandelt. Foto: Matthias Wollenhaupt/ Universität Oldenburg [Bild herunterladen]