Von den Atomen bis zu den Sternen: So enthüllt das Licht die unsichtbare Bewegung der Elektronen

Vor kurzem haben wir darüber gesprochen, wie man einen Stern von einem Planeten unterscheiden kann, und gesagt, dass wir sein Licht als einen entfernten Punkt sehen können; doch es ist mehr als das. Dieses Licht, das enorme Entfernungen zurücklegt, liefert uns grundlegende Informationen über den Himmelskörper.

Wir Astronomen entschlüsseln all diese Informationen anhand des Lichtspektrums. Jedes chemische Element hinterlässt charakteristische Signale, wenn seine Elektronen Photonen absorbieren oder emittieren, die aus Quantenprozessen entstehen.

Um diese Signale zu verstehen, muss man über die farbigen Linien hinausblicken, die in einem Spektrum erscheinen; entscheidend ist, wie sich ein Atom bei der Wechselwirkung mit Strahlung entwickelt. Ein kürzlich durchgeführtes Experiment ermöglicht es, diese elektronische Entwicklung in fast unvorstellbaren Zeitskalen zu untersuchen.

Eine (Quanten-)Kamera, um sie alle zu beobachten

Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin, Deutschland, nutzten Lichtblitze von etwa 270 Attosekunden, um ionisierte Atome zu untersuchen.

Der Vorgang läuft wie folgt ab: eine Abfolge von zwei Blinksignalen:

• Zunächst entzieht es dem Atom ein Elektron und versetzt es in eine Kombination von Quantenzuständen.
• Das zweite trifft mit einer kontrollierten Verzögerung ein und misst, wie sich die Lichtabsorption des Ions verändert.

Beide Impulse gehören zum extremen Ultraviolettbereich und werden mittels einer Technik erzeugt, die als Erzeugung höherer Harmonischer bezeichnet wird. Im Gegensatz zu anderen Experimenten ist kein intensiver Infrarotimpuls erforderlich, um die nachfolgende Entwicklung zu untersuchen, was die Interpretation der Ergebnisse erleichtert.

Im Xenon stellten die Forscher eine Schwingung mit einer Periode von 3,1 Femtosekunden fest. Damit rekonstruierten sie anhand von Absorptionsschwankungen die Veränderung einer Quantenverteilung, die mit der Lücke zusammenhängt, die das aus dem Atom ausgestoßene Elektron hinterlässt.

Der Tanz der (kosmischen) Geister

Das Team wiederholte die Messungen mit verschiedenen Edelgasen und stellte fest, dass jedes seine eigene Schwingungsdauer aufweist. Bei Argon wurden Perioden von 23,3 Femtosekunden gemessen, bei Neon von 42,9 – Unterschiede, die die Energieabstände zwischen den elektronischen Zuständen widerspiegeln.

Im Neon zeigten Berechnungen, dass sich die Verteilung des Elektronenlochs zwischen einer länglichen, einer Hantel ähnlichen Form und einer ringförmigen, einem Donut ähnlichen Form ändert. Es handelt sich dabei nicht um ein physikalisches Loch, sondern um eine quantenmechanische Beschreibung des fehlenden Elektrons.

Diese Veränderungen beeinflussen die Art und Weise, wie Strahlung absorbiert wird, da das Signal bei bestimmten Energien zunimmt, während es bei anderen abnimmt. Dieser Wechsel liefert Informationen über den elektronischen Zustand, die ein herkömmliches Bild nicht zeigen würde.

Auch wenn das Experiment weder einen Stern nachbildet noch dessen Atmosphäre direkt misst, hängen Sternspektren ebenfalls von Übergängen zwischen elektronischen Zuständen ab, was uns hilft, die Quantenmechanismen zu verstehen, die die Interpretation des Lichts ermöglichen.

Vom Labor zu den Sternen

In Nebeln und Regionen mit ionisiertem Gas helfen die Spektrallinien von Elementen wie Neon und Argon dabei, die Zusammensetzung und die physikalischen Bedingungen des Materials zu untersuchen. Für ihre Analyse ist eine genaue Kenntnis der Energieniveaus der Atome erforderlich.

Messungen im Attosekundenbereich eröffnen eine neue Dimension, da sie nicht nur Aufschluss darüber geben, welche Energien ein System absorbiert, sondern auch ermöglichen, zu untersuchen, wie es sich nach dem Einfall von Licht entwickelt. Diese Informationen könnten zukünftige Forschungen zu schnellen Ionisations- und Ladungsübertragungsprozessen bereichern.

Allerdings sollte man zwischen Möglichkeit und Entdeckung unterscheiden. Diese Arbeit wurde mit Edelgasen unter kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt, und die Autoren schlagen vor, die Technik auf Moleküle und Feststoffe auszuweiten; eine direkte Anwendung auf Sterne, Nebel oder Exoplaneten steht noch aus.

Von der Erde aus rekonstruiert die Astronomie ferne Geschichten, indem sie das Licht interpretiert, das uns erreicht, während die Quantenphysik im Labor die Veränderungen verfolgt, die innerhalb der Atome stattfinden. Beide Sichtweisen treffen sich in der Vorstellung, dass das Verständnis des Universums gleichbedeutend ist mit dem Verständnis seines Lichts.