Rätsel der langsamen Elektronen

MBI-Wissenschaftler geben neuartige Beschreibung des Starkfeld-Ionisationsprozesses

2009 nannte es das Journal Nature Physics die „Ionisations-Überraschung“. Bislang gingen Physiker davon aus, dass sie die Ionisation von Atomen durch starke Laserfelder gut verstehen würden. Aber als sie Edelgasatome mit relativ langwelligem (einige Mikrometer) Laserlicht ionisierten, konnten sie unerwartet langsame Elektronen beobachteten, die durch die gängigen Theorien nicht zu erklären waren. In der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters haben Wissenschaftler der Universität Rostock, des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik und des Max-Born-Instituts diese Beobachtung nun erklärt.

Die Ionisation von Atomen durch starke Laserfelder spielt heute in Ultrakurzpuls-Laserlaboren eine wichtige Rolle. Der Prozess ist die Grundlage für wichtige Verfahren wie zum Beispiel die Erzeugung Hoher Harmonischer Photonen, die wiederum die Herstellung von Attosekunden-Laserpulsen (1 as = 10^-18 s) ermöglichen. Mit Hilfe dieser Technik können tomographische Verfahren entwickelt werden, die die Beobachtung ultraschneller Elektron- und Atombewegungen auf einer Zeitskala von Attosekunden bis hin zu einigen Femtosekunden (1 fs = 10^-15 s) erlauben. Bereits seit einigen Jahrzehnten verwenden Physiker theoretische Methoden, mit denen sie die Starkfeld-Laserionisation beschreiben. Sie basieren üblicherweise auf der sogenannten „Starkfeld-Näherung“ (SFA). Diese nimmt an, dass nach der Ionisation die Bewegung des freien Elektrons weitgehend durch das elektrische Feld des ionisierenden Lasers bestimmt wird, während die Coulomb-Kraft zwischen dem Elektron und dem zurückbleibenden Ion kaum eine Rolle spielt.

Die Starkfeld-Näherung hat den Wissenschaftlern über Jahre gute Dienste erwiesen und zum Verständnis von vielen experimentellen Beobachtungen bei der Ionisation mit starken Laserfeldern beigetragen. Allerdings nur bis jetzt! In einer bemerkenswerten Veröffentlichung haben Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten und Deutschland 2009 über ein neues Phänomens bei der Starkfeld-Ionisation berichtet: Sie beobachteten eine ausgeprägte Signalspitze in der kinetischen Energieverteilung der Photoelektronen bei sehr niedrigen Energien, die bis zu 50 Prozent der emittierten Elektronen beinhaltet. Bemerkenswerterweise konnte die physikalische Ursache nicht ermittelt werden.

In der neuen Veröffentlichung legen die Wissenschaftler aus Rostock, Berlin und Heidelberg nun dar, dass die niedrigen Elektronenenergien durch die Coulomb-Anziehung zwischen dem wegfliegenden Elektron und dem zurückbleibenden Ion hervor gerufen werden. Sie haben eine neuartige theoretische Beschreibung des Starkfeld-Ionisationsprozesses entwickelt, die zu Beginn des Ionisationsprozesses der alten Starkfeld-Näherung entspricht, jedoch später die Bahn des Elektrons in einem kombinierten Coulomb- und Laserfeld berechnet. Dieser Ansatz konnte in überzeugender Weise die niedrigen Photoelektronenenergien wiedergeben und zeigen, dass sie durch das hin und her schwingen des Elektrons im oszillierenden Laserfeld verursacht werden. Bei diesem Prozess werden die Elektronen in die Nähe des Ions gebracht, wobei die Elektronenbahnen erheblich gestört werden. Dies führt dazu, dass die Elektronen nur knapp der Anziehung des Ions entkommen können.

Der Coulomb-korrigierte SFA-Formalismus, der auf den oben beschriebenen Interferenzen von Quantenbahnen basiert, löste nicht nur das Rätsel der „Ionisation-Überraschung“, sondern war auch bei einer verwandten Arbeit zum Auftreten holographischer Strukturen in der Starkfeld-Ionisation hilfreich, die diese Woche in Science Express erscheint.

DOI:10.1103/PhysRevLett.105.253002
DOI:10.1126/science.1198450

Kontakt:

Prof. Mark Vrakking
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie
Tel.: 030-6392 1200
E-Mail: marc.vrakking(at)mbi-berlin.de, vrakking(at)amolf.nl

Prof. Dieter Bauer
Universität Rostock
Institut für Physik
Tel.: 0381 498- 6940
E-Mail: dieter.bauer(at)uni-rostock.de