Zwei Elektronen vereint treiben Laser-Röntgenstrahlen über die Grenzen der Standardphysik hinaus
Forschende der TU Wien und der UC San Diego erzeugen hochfrequente Strahlung, indem sie die Rückkehr von Elektronen in Heliumatomen zeitlich abstimmen
Von Giovanni Sapere
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Physiker an der TU Wien und der University of California San Diego haben einen Weg gefunden, Röntgenstrahlen mit höheren Energien zu erzeugen, als es die theoretischen Standardgrenzen zulassen. Durch die Synchronisierung zweier Elektronen in Heliumatomen mit ultravioletten Laserpulsen löste das Team eine kombinierte Energiefreisetzung aus, die ungewöhnlich energiereiche Photonen erzeugt. Die wissenschaftliche Innovation stellt langjährige Annahmen darüber infrage, wie lasergetriebene Strahlung auf atomarer Ebene entsteht.
Jenseits der theoretischen Energie-Grenzwellenlänge
Jahrzehntelang beruhten Labormethoden zur Erzeugung kurzer Röntgenblitze darauf, ein einzelnes Elektron mit einem intensiven Laserfeld aus einem Atom zu treiben. Das elektrische Feld reißt das Elektron los, beschleunigt es und zwingt es zurück in eine Kollision mit seinem Mutterkern. Dieser Aufprall setzt Lichtfrequenzen frei, die weit höher liegen als die des ursprünglichen Treiberstrahls. Doch die konventionelle Physik schreibt eine unüberwindbare Grenze vor, die sogenannte Energie-Grenzwellenlänge (energy cutoff), oberhalb derer die Emission stark abfällt, wie ScienceDaily berichtet.
Die in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlichte neue Innovation von Forschenden der TU Wien und der University of California San Diego zeigt, dass diese Schwelle nicht absolut ist. Unter bestimmten Bedingungen können Atome Licht weit über dieser vorhergesagten Obergrenze liefern.
„Mit UV-Treiberpulsen können wir dafür sorgen, dass beide Elektronen genau gleichzeitig zum Atom zurückkehren.“
— Dimitar Popmintchev, Postdoktorand an der TU Wien
Zwei Elektronen in Helium koordinieren
Der Durchbruch beruht auf Helium, einem Element, dessen zwei Elektronen durch die Quantenmechanik stark korreliert bleiben. Statt ein einzelnes Teilchen herauszuschleudern, befreit der Versuchsaufbau mit intensiven ultravioletten Laserpulsen beide Elektronen in rascher Folge. Obwohl sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten losgerissen werden, bleiben die Teilchen miteinander verbunden.
Durch sorgfältige Abstimmung der Treiberpulse gelang es den Forschenden, beide Elektronen dazu zu zwingen, im exakt selben Moment zum Heliumkern zurückzukehren. Wenn zwei Elektronen gleichzeitig zurückprallen, verschmilzt ihre gespeicherte kinetische Energie zu einem einzigen Ereignis, wodurch das Atom ein einzelnes Photon mit deutlich höherer Energie aussenden kann, als es die Standarddynamik mit einem einzelnen Elektron zulässt, so ScienceDaily.
Ein sekundäres Plateau bestätigt die Quantenreaktion
Die Spektralanalyse lieferte einen direkten physikalischen Beweis für den Doppel-Elektronen-Mechanismus. Das Team beobachtete einen deutlichen sekundären Bereich anhaltender hochenergetischer Emissionen, ein sogenanntes Plateau, das sich weit über die konventionelle Grenze hinaus erstreckt. Dieses sekundäre Signal war zwar schwächer als das primäre Strahlungsband, sein Vorhandensein belegte jedoch ein völlig eigenständiges Wirkungsregime, so ScienceDaily.
Kontrollversuche bestätigten die einzigartige Rolle von Helium. Als Dimitar Popmintchev und das Forschungsteam das Experiment mit schwereren Edelgasen wie Argon und Neon wiederholten, trat der Effekt nicht auf. Den äußeren Elektronen dieser größeren Atome fehlte die enge Quantenkorrelation, die nötig ist, um bei der Kollision ihre Energie zu bündeln. Die Entdeckung eröffnet neue Wege, mit Tischlasersystemen ultraschnelle Elektronenbewegungen in Materie zu untersuchen, ohne riesige Teilchenbeschleuniger, und legt damit die Grundlage für eine neue Generation wissenschaftlicher Erfindungen.
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