Extrem-UV-Licht lenkt Elektronen in Laborexperiment

Licht auf ein Atom zu richten, bringt seine Elektronen zum Reagieren. Am Freie-Elektronen-Laser FERMI in Triest (Italien) hat ein Team unter Leitung von Ulli Eichmann vom Max-Born-Institut in Berlin gezeigt, dass sich diese Reaktion mit extrem ultraviolettem Licht (XUV) steuern lässt. Indem die Forscher die Phase der Impulse veränderten, entschieden sie, ob sich zwei Quantenpfade im Heliumatom gegenseitig verstärkten oder auslöschten. Die Arbeit ist in Nature Photonics erschienen.

Die Quantenmechanik erlaubt es, dass ein Prozess auf mehreren Wegen gleichzeitig abläuft. Ein Elektron kann denselben Endzustand über unterschiedliche Routen erreichen. Diese Routen addieren sich oder löschen sich aus, ähnlich wie sich überlagernde Wellen auf einer Wasseroberfläche. Mit einer als stimulierte Raman-Anregung bezeichneten Methode und XUV-Impulsen erzeugten die Forscher zwei konkurrierende Pfade, um einen gebundenen Zustand in Helium anzuregen. Matthieu Génévriez, Forscher an der UCLouvain und einer der Autoren, beschreibt den Effekt einfach: „Es ist ein bisschen, als könnten wir ein Elektron aus einem Atom herausschleudern und es dann mit Licht wieder nach Hause zurückbringen.“

Sichtbares und infrarotes Laserlicht ist seit Jahrzehnten das Arbeitspferd für diese Art der Untersuchung. Die stimulierte Raman-Streuung und verwandte Verfahren verfolgen mit diesen Wellenlängen bereits chemische Reaktionen und die Bewegung von Elektronen. Die Ausdehnung auf den XUV-Bereich, den das Team als seit Langem bestehende Herausforderung bezeichnet, erforderte eine Lichtquelle, die nur wenige Anlagen bereitstellen können. Eichmann sagt, das Experiment zeige, dass die Methoden „jetzt in den extremen Ultraviolettbereich übertragen werden können“, und eröffne „neue Möglichkeiten für die Abbildung und Manipulation von Materie mit beispielloser räumlicher Auflösung“.

Für Chemiker und Materialwissenschaftler liegt der Reiz in der elementspezifischen Natur des Lichts. XUV- und Röntgenphotonen erreichen Elektronen nahe den Atomkernen, wo jedes chemische Element seinen eigenen elektronischen Fingerabdruck trägt. Das Team glaubt, dass die hier gezeigten Konzepte eines Tages zu einer neuen Generation von Bildgebungs- und Spektroskopieverfahren führen könnten, die elektronische Bewegungen und chemische Umwandlungen im kleinsten Maßstab verfolgen. Einen Zeitplan für solche Instrumente hat es nicht veröffentlicht. Das Experiment ist eine Labordemonstration, die ausschließlich an Helium durchgeführt wurde.