Das kürzeste Blitzlicht der Welt

	Foto: Gaby Otto/GSI

Physiker arbeiten daran, schnellste Vorgänge in Atomen und Molekülen zu beobachten: Mit dem Attosekunden- Mikroskop

Von Christian Meier

Edward Muggeridge entschied 1872 eine 25000-Dollar-Wette zwischen den kalifornischen Rennstallbesitzern Leland Stanford und Frederick McCrellish: Er konstruierte einen Kameraverschluss, der mit weniger als einer tausendstel Sekunde Belichtungszeit enthüllte, was dem menschlichen Auge verborgen ist: Es gibt eine Phase des Pferdegalopps, in der alle vier Hufe in der Luft sind.

Ein Jahrzehnt später gelangen dem Physiker Ernst Mach Momentaufnahmen überschallschneller Geschosse im Licht elektrischer Funken, die für etwa eine Fünfzigtausendstel Sekunde aufblitzten. Mach interessierte sich für die Verdichtung der Luft vor dem Projektil.

Heute benutzen Physiker Laserpulse, die eine Billion Mal kürzer sind als die Verschlusszeit von Muggeridges Kamera, um Schwingungen von Molekülen zu untersuchen: Femtosekundenpulse.

Während der unvorstellbar kurzen Zeitspanne einer Femtosekunde umrundet ein Elektron seinen Atomkern etwa 1000 Mal: Um den Ablauf chemischer Reaktionen zu verstehen, die von der Bewegung der Elektronen in Atomen und Molekülen bestimmt werden, sind Femtosekundenpulse daher 1000 Mal zu lang. Zum Vergleich: Hätte Muggeridge mit einer Verschlusszeit von einer Sekunde gearbeitet, hätte man mit Mühe ein Pferd auf dem verschwommenen Bild erkennen können. Die Wette hätte ein solches Bild sicher nicht entschieden.

Ein Blitzlicht, das die Bewegung der Elektronen einfriert muss also für etwa eine Attosekunde, dem milliardsten Teil einer Milliardstel Sekunde, aufleuchten.

Physiker des Heidelberger Max-Planck-Instituts (MPI) für Kernphysik und der Darmstädter Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) benutzen annähernd lichtschnelle Ionen, um Pulse von etwa einer Attosekunde zu erzeugen. "Es gibt bis jetzt keine andere Methode, Blitzlichter zu erzeugen, die kurz genug sind, um die Elektronenbewegung abzutasten", sagt Robert Moshammer vom MPI. Die kürzesten mit heutigen Lasern erzeugten Pulse seien einige hundert Attosekunden lang.

Albert Einstein sagte vor 100 Jahren jene Effekte voraus, die Forscher heute nutzen, um Attosekundenpulse zu erzeugen. "Wir können messen, wie sich die Lebensdauer angeregter Zustände von Teilchen in unseren Beschleunigern verlängert", sagt Thomas Stöhlker, Physiker an der GSI. Salopp formuliert: Schnell bewegte Uhren gehen langsamer.

Mit der Zeitdehnung verbunden ist die Längenkontraktion eines Körpers: Er wird entlang seiner Bewegungsrichtung gestaucht. Eine gedachte Rakete, die beim Start 20 Meter lang ist, misst bei Erreichen von 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit nur noch knapp neun Meter.

Auf ähnliche Weise wird das elektrische Feld eines schnellen Ions entlang der Bewegungsrichtung gestaucht. Während ein Körper jedoch in allen anderen Richtungen bleibt wie er ist, vergrößert sich das Feld senkrecht zur Bewegungsrichtung, so als würde eine Kugel zu einem Pfannkuchen verformt. Je mehr sich das Ion der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto flacher wird der Pfannkuchen. Der elektromagnetische Puls, den ein ruhendes Teilchen (Target) erfährt, an dem ein Ion vorbeifliegt, ist daher umso kürzer je schneller das Ion sich bewegt.

An der GSI werden so mit Hilfe von nahezu lichtschneller Uran-Ionen starke Pulse von etwa einer Attosekunde Dauer erzeugt. Die Uran-Ionen werden durch mehrfaches Passieren eines Gasstrahls von allen Elektronen befreit. Das so entstandene "hochgeladene" Uran-Ion erzeugt einen besonders starken elektromagnetischen Puls am Ort des Target - zum Beispiel ein Helium Atom, ein aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehender Kern, der von zwei Elektronen umkreist wird.

Der Puls lässt das Helium-Atom "zerplatzen", so als würden für einen kurzen Moment die elektrischen Kräfte "ausgeschaltet", die Kern und Elektronen zusammenhalten. Die beiden Elektronen behalten dabei annähernd Geschwindigkeit und Flugrichtung relativ zueinander, die sie im Augenblick des Pulses hatten.

Die Forscher am MPI haben ein "Reaktionsmikroskop" entwickelt, um Geschwindigkeiten und Flugrichtungen der Elektronen zu messen. "Das Attosekundenmikroskop bietet die Möglichkeit, Wechselbeziehungen zwischen den Elektronen direkt anzusehen", erklärt Moshammer. Es soll Fragen zur korrelierten Bewegung von gebundenen Elektronen in Atomen und Molekülen beantworten.

Diese Fragen ähneln denen der kalifornischen Rennstallbesitzer von 1872: "Wenn man voraussetzt, dass das eine Elektron nach links fliegt", so Moshammer, "fliegt dann das andere immer nach rechts?". Das neuartige Mikroskop soll aber auch zum Verständnis chemischer Reaktionen beitragen: "Es kann entscheidend sein, zu wissen, was an einem Ende der Elektronenhülle eines Moleküls passiert, wenn man das andere Ende anregt", sagt Moshammer. "Der Informationsaustausch im Molekül geht rasend schnell". Oft so schnell, dass er nur mit dem Attosekundenmikroskop zu beobachten wäre. Und das ist anwendungsrelevant, da die Dynamik vieler chemischer Prozesse noch nicht verstanden wird.

Machs elektrische Funken beeinflussten weder das Geschoss, das er fotografierte, noch die Verdichtung der Luft vor dem Projektil, die der Physiker untersuchte. Beim Attosekundenmikroskop ist das anders: "Dass das Projektil am Helium-Atom geradlinig vorbeifliegt, ist eine Idealisierung", erklärt Moshammer. "In Wirklichkeit wird es geringfügig abgelenkt". Diese Ablenkung müssen die Physiker berücksichtigen, um die Ergebnisse ihrer Messungen entsprechend zu korrigieren. Doch der Stoßprozess sei noch nicht vollständig verstanden.

Seine theoretische Beschreibung sei die letzte Hürde vor der Anwendungsreife des Attosekundenmikroskops. Das Reaktionsmikroskop könnte jedoch schon jetzt auf einem anderen Gebiet, nämlich bei der zerstörungsfreien Untersuchung von Oberflächen eingesetzt werden. Es erlaube, so Moshammer, die energieaufgelöste Detektion aller von einer Oberfläche durch Teilchenbeschuss ausgelösten Elektronen, somit die Analyse der Zusammensetzung der Oberfläche.

Das Patent haben die Heidelberger angemeldet. Der Technologie-Transfer in die Industrie gestaltet sich jedoch schwierig: Es müsste viel Zeit investiert werden, um eine konventionelle Methode durchzusetzen, meint Moshammer. Zeit, die den Wissenschaftlern bei ihrer eigentlichen Forschung fehlen würde.

Dr. Christian Meier

ist Physiker und arbeitet freiberuflich als Wissenschaftsjournalist und Wissenschafts-Lektor.