Zwei Elektronen vereint: Laser-Röntgenstrahlen jenseits der Grenzen der Standardphysik

Jenseits der theoretischen Energie-Grenzfrequenz

Jahrzehntelang beruhten Labormethoden zur Erzeugung kurzer Röntgenblitze darauf, ein einzelnes Elektron mit einem intensiven Laserfeld aus einem Atom zu treiben. Das elektrische Feld löst das Elektron heraus, beschleunigt es und zwingt es zurück in eine Kollision mit seinem Mutterkern. Dieser Aufprall setzt Lichtfrequenzen frei, die weit über denen des ursprünglichen Treiberstrahls liegen. Die konventionelle Physik schreibt jedoch eine unüberwindbare Grenze vor, die sogenannte Energie-Grenzfrequenz (energy cutoff), oberhalb derer die Emission stark abfällt, wie ScienceDaily berichtet.

Die in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlichte 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 jenseits 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, nutzt der Versuchsaufbau intensive ultraviolette Laserpulse, um beide Elektronen in rascher Folge freizusetzen. Obwohl sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten herausgerissen werden, bleiben die Teilchen miteinander verbunden.

Durch sorgfältige Abstimmung der Treiberpulse gelang es den Forschenden, beide Elektronen 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 größerer Energie aussenden kann, als es die Standarddynamik einzelner Elektronen zulässt, so ScienceDaily.

Ein sekundäres Plateau bestätigt die Quantenreaktion

Die Spektralanalyse lieferte einen direkten physikalischen Beweis für den Doppelelektronen-Mechanismus. Das Team beobachtete einen deutlich abgegrenzten sekundären Bereich anhaltender hochenergetischer Emission, ein sogenanntes Plateau, das weit über die konventionelle Grenze hinausreicht. Dieser sekundäre Signalbereich 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 beim Zusammenstoß ihre Energie zu bündeln. Die Entdeckung eröffnet neue Wege, mit Tischlasersystemen ultraschnelle Elektronenbewegungen in Materie zu untersuchen, ohne riesige Teilchenbeschleuniger – und legt damit den Grundstein für eine neue Generation wissenschaftlicher Erfindungen.

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