Innovative Zeitmessung für ultraschnelle Elektronenprozesse
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© Nikolas Golsch/TU Dortmund
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
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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