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Er­geb­nisse internationaler Arbeits­gruppe in Nature Physics

In­no­va­tive Zeit­mes­sung für ul­t­ra­schnelle E­lek­tro­nen­pro­zes­se

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Portrait von Juniorprof. Wolfram Helml: Ein etwa 40 Jahre alter Mann mit kurzen, hellbraunen Haaren schaut mit einem Lächeln in die Kamera. Er Trägt ein graues Sakko und ein hellblau-weiß-kariertes Hemd.. © Nikolas Golsch​/​TU Dort­mund
JProf. Wolfram Helml vom Zentrum für Synchrotronstrahlung war Teil eines 40-köpfigen Forschungsteams.

Ein internationales For­schungs­team hat mit einer inno­va­ti­ven Technik eine Art Stoppuhr ent­wi­ckelt, um ul­t­ra­schnelle E­lek­tro­nen­pro­zes­se in Atomen zu vermessen. Konkret geht es um Auger-Elektronen, die Atome nach dem Beschuss mit hochenergetischer Röntgenstrahlung innerhalb von Femtosekunden freisetzen. Die Er­geb­nisse der Ar­beit, an der auch JProf. Wolfram Helml von der TU Dort­mund be­tei­ligt war, wurden jetzt in Nature Physics ver­öf­fent­licht.

Seit ei­nem Jahrzehnt liefern Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFELs) wie die Linac Coherent Light Source im kalifornischen Stanford, USA, intensive und sehr kurze Röntgenpulse. Mithilfe dieser Technik lassen sich Bilder von Ma­te­ri­alien auf atomarer Ebene aufnehmen, noch bevor der Strahlenschaden die Probe zerstört. Außerdem kön­nen sie sehr schnelle strukturelle Prozesse auf der Zeitskala von Elektronenbewegungen be­ob­ach­ten. Dass dies so­gar im Bereich von Attosekunden (1 as = 10⁻¹⁸ s) gelingt, hat nun ein 40-köpfiges internationales For­schungs­team gezeigt.

Das Team hat sich einen fundamentalen Prozess vorgenommen, mit dem ein atomares System nach Beschuss mit ei­nem Röntgenpuls Energie abgibt und dabei Elektronen freisetzt, den sogenannten Auger-Prozess. „Der Röntgenpuls regt das Atom an“, er­klärt JProf. Helml. „Wir haben dann beobachtet, wie es sich wieder abregt und sozusagen entspannt.“

Durch die Strahlung wird das Atom zu­nächst ionisiert, indem ein Elektron herausgelöst wird, man spricht von Photo-Elektron. Beim Auger-Prozess füllt dann zuerst ein anderes kernnahes Elektron das entstandene Loch und gibt einen Teil seiner Energie wiederum an ein drittes, weniger stark gebundenes Elektron ab. Dieses Auger-Elektron kann dadurch ebenfalls das Atom verlassen. Das For­schungs­team wollte der Fra­ge nachgehen, in welchem zeitlichen Abstand das Auger-Elektron dem Photo-Elektron im Falle des Edelgas Neon folgt. Das Problem: Die üblichen Messverfahren sind nicht präzise genug, um derart schnelle Prozesse im Bereich von wenigen Femtosekunden (einer Millionstel einer Milliardstel Sekunde) zu be­ob­ach­ten. Ein Flackern bei der Anregung der Neon-Atome mit dem Röntgenlaser, im Jargon auch Jitter genannt, stört die Messung. Es bedarf eines Tricks, um aus zehntausend unscharfen Bildern ein präzises Ergebnis zu er­hal­ten.

Neue Technik: Selbstreferenziertes Streaking

Der Schlüssel zur Beobachtung ist eine in­no­va­ti­ve Art der Modulation der Auger-Elektronen und der Photo-Elektronen, die dadurch einer ge­mein­samen zeitlichen Ordnung unterworfen wer­den, die man messen kann. Der Hauptautor der Studie, Dan Haynes, Doktorand in einer Gruppe des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) bei Studienleiter Prof. Adrian Cavalieri vom Paul Scherrer Institut (PSI), er­klärt zu der neuen Technik: „Selbstreferenziertes Streaking…“ so der Name der Methode, „…ermöglichte es uns, die Verzögerung zwischen Röntgen-Ionisation und Auger-Emission in Neongas mit Sub-Femtosekunden-Präzision zu messen, obwohl der Timing-Jitter während des Ex­pe­ri­ments im Hundert-Femtosekunden-Bereich lag. Das ist so, als würde man versuchen, das Ende eines Rennens zu fotografieren, wenn der Kameraverschluss jederzeit in den letzten zehn Se­kun­den auslösen könnte.“

© Dan Haynes​/​Jörg Harms​/​MPSD
Künstlerische Darstellung des Ex­pe­ri­ments. Die inhärente Verzögerung zwischen der Emission der beiden Arten von Elektronen führt zu einer charakteristischen Ellipse in den analysierten Daten. Die Position einzelner Datenpunkte um die Ellipse herum kann wie die Zeiger einer Uhr abgelesen wer­den, um den genauen zeitlichen Ablauf der dy­na­misch­en Prozesse aufzudecken.

JProf. Wolfram Helml vom Zentrum für Synchrotronstrahlung der TU Dort­mund führt aus: „Die zeitliche Vermessung des Auger-Zerfalls in Neon liefert die Bestätigung von fundamentalen atomaren The­o­ri­en an vorderster Front der Wis­sen­schaft und eröffnet gleichzeitig ein breites neues Forschungsfeld mit Röntgenlasern.“ Beispiele sind die struktur-spezifische Erfassung von ultraschnellen elektronischen Prozessen mit weitreichenden Folgen für das Verhalten von komplexen organischen Molekülen und für die Ent­wick­lung funktionaler Ma­te­ri­alien, aber auch bildgebende Methoden, die das „Fotografieren“ von einzelnen Molekülen am Röntgenlaser überhaupt erst mög­lich ma­chen.

Im inter­natio­nalen For­schungs­team forschen Mit­ar­bei­te­rin­nen und Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD), vom Deut­schen Elektronensynchrotron (DESY) und European XFEL in Hamburg, des Paul Scherrer Instituts (PSI) in der Schweiz, der TU Dort­mund und vieler anderer Institutionen in sieben Ländern ge­mein­sam.

Originalpublikation: Haynes, D.C., Wurzer, M., Schletter, A. et al. Clocking Auger electrons. Nat. Phys. (2021). DOI: 10.1038/s41567-020-01111-0
 

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