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Um scharfe Aufnahmen von schnellen Bewegungen machen zu können, muss man eine kurze Belichtungszeit wählen. Stroboskopblitze in Kombination mit Hochgeschwindigkeitskameras ermöglichen z.B. die Beobachtung der Flugbahn einer Gewehrkugel, für die das menschliche Auge zu langsam ist. Wie muss aber eine „Kamera“ aussehen, mit der man die Bewegung von Elektronen innerhalb eines Atoms aufnehmen kann? Dieser Frage ist Anna Bella Heinemann in einem Interview mit dem Bielefelder Experimentalphysiker Markus Drescher nachgegangen. Seinem Team gelang es, zusammen mit der Gruppe von Ferenc Krausz (damals Universität Wien, jetzt Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching) eine spektroskopische „Kamera“ zu entwickeln, die mit Hilfe von ultrakurzen Röntgenpulsen die Bewegung der Elektronen aufzeichnet.

Die Elektronenbewegung innerhalb eines Atoms vollzieht sich im Bereich von einigen Attosekunden (1 Attosekunde = 10-18 Sekunden). Um eine so schnelle Bewegung aufzeichnen zu können, war es entscheidend, Anregungspulse zu erzeugen, die kürzer sind als die Periode (das heißt die Schwingungsdauer) des sichtbaren Lichtes. Die Periode des sichtbaren Lichtes liegt bei 2 Femtosekunden
(1 Femtosekunde = 10-15 Sekunden) und ist damit zu lang, um die schnellen Elektronenbewegungen scharf abzubilden. Deutlich schneller ist Röntgenlicht, das derzeit mit einer Periode von 40 Attosekunden erzeugt werden kann. Hier muss die Entwicklung jedoch noch nicht zu Ende sein, denn durch Verwendung noch kurzwelligerer Röntgenstrahlen ließe sich eine noch höhere Auflösung erreichen.

Mit Hilfe des Röntgen-„Blitzlichts“ lassen sich die Bewegungen der Elektronen in Einzelbildern „einfrieren“, die zeigen, wie die Elektronen von einem Laserlichtpuls beschleunigt oder abgebremst werden. Anschließend kann man diese zeitaufgelösten Energiebilder zu einer Art Film über den gesamten Vorgang zusammensetzen.


Hier sieht man, wie Drescher und Krausz zum ersten Mal mit ihren kurzen Röntgenpulsen (in diesem Fall mit einer Länge von 250 Attosekunden) einen Schnappschuß einer sichtbaren Lichtwelle machen konnten. Das galt bisher als unmöglich.

Dass dies gelang, war ein sensationeller Erfolg des Wissenschaftler-Teams. Nachdem Drescher und Krausz in den naturwissenschaftlichen Fachzeitschriften „Science“ und „Nature“ über ihre Forschung berichtet hatten, rief die sonst so zurückhaltende New York Times den Beginn des „Atto-Zeitalters“ aus. Ein Vergleich mit aktuell realisierter Technik zeigt, dass diese neue Zeitauflösung, die „Attosekunde“, etwa eine Million mal schneller ist, als das, was z.B. in einem Computer-Prozessor abläuft. Auch wenn jetzt sicher viele von einem neuen Turborechner träumen – einstweilen beschränkt sich die Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse auf die Grundlagenforschung. Indirekt jedoch wird sich das bessere Verständnis der inneratomaren Prozesse unter anderem auf die Entwicklung von z.B. neuen Computerbausteinen auswirken. Auch in anderen Disziplinen wie der Biologie oder Medizin gibt es Anwendungsmöglichkeiten. So kann man durch die direkte Beobachtung der Elektronenbewegung auf die Schädigung von Atomen im menschlichen Körpers durch Röntgenstrahlung schließen.

:: Nachgefragt - Das Interview mit Markus Drescher


pictureAutorin dieses Textes: Dipl.-Physikerin Carola Haumann