Attosekundenmessung an Elektronen in Wasserclustern

Nahezu alle lebenswichtigen chemischen Prozesse finden in wässrigen Lösungen statt. Eine entscheidende Rolle bei solchen Prozessen spielen Elektronen, die zwischen verschiedenen Atomen und Molekülen ausgetauscht werden und so beispielsweise chemische Bindungen eingehen oder lösen. Die Details, wie das passiert, sind jedoch schwer zu untersuchen, da sich diese Elektronen sehr schnell bewegen.

Forschern der ETH Zürich um Hans Jakob Wörner, Professor für physikalische Chemie, ist es nun in Zusammenarbeit mit Kollegen des Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) gelungen, die Dynamik von Elektronen in Clustern aus Wassermolekülen mit einer Zeitauflösung von wenigen wenigen zu untersuchen Attosekunden. Ihre Ergebnisse sind kürzlich als Vorabveröffentlichung in der Fachzeitschrift erschienen Natur.

Zeitverzögerung bei der Ionisierung

In ihren Experimenten untersuchten die Wissenschaftler, wie Wassercluster durch einen kurzen Laserpuls im extremen Ultraviolett ionisiert werden. Dazu werden zunächst Cluster erzeugt, indem Wasserdampf unter hohem Druck durch eine winzige Düse gepresst wird. Die Energie der extrem ultravioletten Photonen des Laserpulses bewirkt dann, dass ein Elektron des Clusters freigesetzt wird. Dies führt zu einer Leerstelle, die auch als „Loch“ bezeichnet wird.

Die Freisetzung des Elektrons erfolgt jedoch nicht unmittelbar nach dem Eintreffen des Pulses, sondern mit einer kurzen Verzögerung. Diese Verzögerung hängt davon ab, wie das Elektronenloch über die Moleküle des Clusters verteilt ist. „Bisher konnte die Verteilung des Lochs nur theoretisch berechnet werden, da die Verzögerung viel zu kurz ist, um sie mit herkömmlichen Methoden zu messen“, erklärt Xiaochun Gong, der Postdoc, der das Projekt leitete.

Attosekundenauflösung mit zwei Laserpulsen

Die Verzögerung dauert tatsächlich nur wenige Attosekunden, also einige Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Um zu verstehen, wie kurz eine Attosekunde ist, kann man den folgenden Vergleich anstellen: Die Anzahl der Attosekunden in einer einzigen Sekunde entspricht ungefähr der Anzahl der Sekunden in 32 Milliarden Jahren.

Um die extrem kurzen Perioden von wenigen Attosekunden messen zu können, zerlegten Wörner und seine Mitarbeiter einen sehr intensiven infraroten Laserpuls in zwei Teile, von denen einer durch Frequenzvervielfachung in einem Edelgas ins extreme Ultraviolett umgewandelt wurde. Sie überlagerten die beiden Pulse und zielten beide auf die Wassercluster.

Der Infrarotimpuls modifizierte die Energie der vom ultravioletten Laserimpuls ausgestoßenen Elektronen. Die Schwingungsphase des infraroten Laserpulses konnte mit einem Interferometer sehr genau abgestimmt werden. Die Anzahl der Ionisationsereignisse, gemessen mit Hilfe von Detektoren, variierte je nach Schwingungsphase. Aus diesen Messungen wiederum konnten die Forscher dann direkt die Ionisationsverzögerung ablesen.

„Da wir die Größe des ursprünglichen Wasserclusters für jedes Ionisationsereignis mit einem Massenspektrometer bestimmen konnten, konnten wir zeigen, dass die Verzögerung von der Größe des Clusters abhängt“, sagt Saijoscha Heck, Ph.D. Student in Wörners Gruppe. Bis zu einer Clustergröße von vier Wassermolekülen steigt die Verzögerung stetig auf etwa hundert Attosekunden an. Ab fünf Wassermolekülen bleibt sie jedoch praktisch konstant. Dies hängt mit der hohen Symmetrie kleiner Cluster zusammen, die es dem Elektronloch ermöglichen, sich nach den Regeln der Quantenmechanik über den gesamten Cluster auszubreiten. Im Gegensatz dazu sind größere Cluster eher asymmetrisch und ungeordnet und daher lokalisiert sich das Loch auf wenigen Wassermolekülen.

Anwendungen auch in der Halbleitertechnik

„Mit diesen Attosekundenmessungen haben wir völlig neue Forschungsmöglichkeiten erschlossen“, sagt Wörner. Er plant bereits Folgeexperimente, in denen er mit zusätzlichen Laserpulsen die Dynamik des Elektronenlochs räumlich und zeitlich auflösen will. Wörner erhofft sich davon unter anderem ein besseres Verständnis dafür, wie Strahlenschäden in biologischem Gewebe entstehen, da die Ionisierung von Wasser dabei eine dominierende Rolle spielt.

Aber auch jenseits der Erforschung der Elektronendynamik im Wasser sieht Wörner vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Um beispielsweise schnellere elektronische Komponenten zu realisieren, ist ein tiefgreifendes Verständnis der räumlichen Ausdehnung von Elektronen- und Lochzuständen und ihrer zeitlichen Entwicklung unerlässlich. Hier könnte die neue Technik der ETH-Forschenden äusserst nützlich sein.