Kann man mit Laserstrahlen das elektronische „Tal des Todes“ überwinden?

Elektronen erstmals in Doppelzustand versetzt

| Autor / Redakteur: Anja Wirsing* / Rainer Graefen

Schematische Darstellung des Kramers-Henneberger-Potenzials, das die Mischung aus Atompotenzial und starkem Laserfeld zeigt.
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Schematische Darstellung des Kramers-Henneberger-Potenzials, das die Mischung aus Atompotenzial und starkem Laserfeld zeigt. (Bild: UNIGE - Xavier Ravinet)

Forscher der Universität Genf und des Max-Born-Institut in Berlin haben erstmalig ein Elektron in einen Doppelzustand versetzt, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist. Damit bestätigen sie eine Hypothese aus den 1970er Jahren und stellen bisherige Vorstellungen von Ionisationsprozessen in Frage. Durch kontrollierte Laserpulse konnten die Forscher die Elektronenstruktur von Atomen gezielt beeinflussen und mit den neu erzeugten Zuständen zum Beispiel Laserlicht verstärken.

Genf/Schweiz, Berlin – Atome bestehen aus einem Atomkern sowie Elektronen, die an diesen gebunden sind und ihn umkreisen. Die Elektronen lassen sich auch aus ihrem Atom herauslösen, etwa durch das starke elektrische Feld eines Lasers, der die anziehende Kraft des Atomkerns überwindet. Vor einem halben Jahrhundert schon fragte sich der Theoretiker Walter Henneberg, ob es möglich sei, mit einem Laserpuls Elektronen so aus einem Atom freizusetzen, dass sie trotzdem noch in der Nähe ihres Atomkerns bleiben. Viele Wissenschaftler hielten dies für unmöglich.

Einer jahrzehntealten Hypothese auf der Spur

Seit den 1980er Jahren wurden viele Experimente durchgeführt, um die Hypothese des Theoretikers Henneberg zu bestätigen: Ein Elektron kann in einen Doppelzustand versetzt werden, in dem es weder völlig frei, noch fest an seinen Atomkern gebunden ist. Gefangen im Laserstrahl, wäre das Elektron dazu gezwungen, sich abwechselnd in Richtung Atomkern und wieder von ihm weg zu bewegen. Auf diese Weise würde es sowohl das elektrische Feld des Lasers als auch das des Atomkerns spüren.

Bei einem solchen Doppelzustand sollte es möglich sein, die Bewegung des Elektrons im Wechselspiel dieser beiden elektrischen Felder zu kontrollieren und damit Atome mit neuartiger Elektronenstruktur zu erzeugen, die sich mithilfe des Laserlichts einstellen lässt. Doch ist das wirklich machbar?

Wie man Atomen die Elektronen nimmt

Je stärker ein Laserstrahl ist, desto einfacher sollte es sein, damit Atome zu ionisieren – mit anderen Worten, ihnen mindestens ein Elektron aus dem anziehenden elektrischen Feld des Atomkerns zu entreißen und in die Umgebung freizusetzen. „Aber sobald die Elektronen frei sind, verlassen sie ihre Atome nicht einfach so wie ein Zug den Bahnhof, sie spüren immer noch das elektrische Feld des Lasers”, erklärt Jean-Pierre Wolf, Professor am Institut für Angewandte Physik an der Universität Genf. „Deshalb wollten wir wissen, ob es möglich wäre, die Elektronen nach ihrer Freisetzung im Laserstrahl gefangen zu halten und sie dazu zu bringen, sich weiterhin in der Nähe ihres Atomkerns aufzuhalten, so wie Walter Henneberg es vorgeschlagen hatte”, fügt er hinzu.

Gefangen im Laserstrahl

Wie lässt sich nun ein Elektron vom Kern entfernen und doch in dessen Nähe halten? Die einzige Möglichkeit hierzu besteht darin, die passende Form für den eingesetzten Laserpuls zu finden, der das Elektron zu absolut identischen Oszillationen, also Schwingungen, in Richtung Atomkern und wieder von ihm weg zwingt. Dadurch bleiben seine Energie und sein Zustand stabil.

„Das Elektron oszilliert natürlicherweise im Laserfeld, aber wenn die Stärke des Laserfelds sich ändert, verändert sich auch die Oszillation des Elektrons. Und das bringt das Elektron dazu, auch sein Energieniveau und damit seinen Zustand ständig zu wechseln und eventuell auch das Atom gänzlich zu verlassen. Das macht die Beobachtung solcher ungewöhnlichen Zustände so schwierig”, ergänzt Misha Ivanov, Professor für Theoretische Physik am MBI Berlin.

Kontrollverlust im „Tal des Todes“

Die Physiker probierten verschiedene Laserintensitäten aus, um die freigesetzten Elektronen zu regelmäßigen Oszillationen anzuregen. Dabei machten sie eine überraschende Entdeckung: „Entgegen der natürlichen Erwartungen – dass ein Laser ein Elektron umso eher freisetzen sollte, je stärker er ist – stellten wir fest, dass es eine bestimmte Grenze für die Intensität gibt, ab der wir ein Atom nicht mehr ionisieren können”, bemerkt Misha Ivanov. „Oberhalb dieser Grenze können wir das Elektron wieder kontrollieren.” Die Forscher tauften diese Grenze Death Valley, also Tal des Todes, nach dem Vorschlag von Professor Joe Eberly von der University of Rochester. In diesem Bereich verloren sie jede Kontrolle über das Elektron.

Bestätigung der alten Hypothese könnte Laser-Theorie revolutionieren

Indem die Forscher das Elektron in einen Doppelzustand versetzten, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist, konnten sie dessen Schwingungen nach Wunsch kontrollieren. Das ermöglicht es auch, die Elektronenstruktur des Atoms gezielt zu beeinflussen. Nach einigen Justierungen gelang es den Physikern von UNIGE und MBI dann zum ersten Mal, ein Elektron aus einem Atomkern zu befreien und zugleich in dessen Nähe in einem Laserfeld festzusetzen, so wie Theoretiker Henneberg vorgeschlagen hatte.

„Wir haben ein Laserfeld mit einer Intensität von 100 Billionen Watt pro Quadratzentimeter erzeugt und konnten so das ‚Tal des Todes‘ überwinden und die Elektronen in der Nähe ihres Atomkerns festhalten, und zwar über ein Periode normaler Oszillationen im elektrischen Feld des Lasers”, sagt Jean-Pierre Wolf. Zum Vergleich: Die Intensität der Sonnenstrahlen auf der Erde liegt bei nur rund 100 Watt pro Quadratmeter.

„Das gibt uns die Möglichkeit, durch die Bestrahlung mit passendem Laserlicht neuartige Atomzustände zu erzeugen, deren Elektronen ganz neue Energieniveaus aufweisen”, erklärt Wolf. „Früher hielt man es für unmöglich, solche Doppelzustände zu erzeugen, und jetzt haben wir das Gegenteil bewiesen. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass Elektronen in solchen Zuständen Licht verstärken können. Das wird eine fundamentale Rolle bei neuen Theorien und Vorhersagen spielen, die die Ausbreitung starker Laserstrahlen in Gasen beschreiben, etwa in Luft”, schließt Wolf.

Orginalpublikation: Mary Matthews, Felipe Morales, Alexander Patas, Albrecht Lindinger, Julien Gateau, Nicolas Berti, Sylvain Hermelin, Jérôme Kasparian, Maria Richter, Timm Bredtmann, Olga Smirnova, Jean-Pierre Wolf and Misha Ivanov: Amplification of intense light fields by nearly free electrons. Nature Physics (2018), DOI: 10.1038/s41567-018-0105-0

* Anja Wirsing: Forschungsverbund Berlin, 12489 Berlin. Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Labor Praxis übernommen.

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