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Susanne Härpfer 26-9-2015, erst begeistert durch die Aufsätze, dann folgten die Fotos

Weil´s so sensationell ist, von solch fundamentaler Bedeutung, an dieser Stelle das Forschungsergebnis am DESY im Originalwortlaut in kompletter Länge:

http://www.desy.de/aktuelles/@@news-view?id=5901&lang=ger

.    2.4: Veranstaltungen .
2.5: Vortragsreihen .

URL: http://www.desy.de/aktuelles/@@news-view
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02.08.2013
Drahtlose Kommunikation zwischen Atomen
Interatomarer Coulombzerfall in Neon-Dimeren

erstmals zeitaufgelöst vermessen

Ein internationales Forscherteam hat an DESYs

Freie-Elektronen-Laser FLASH erstmals direkt

die Zeitdauer eines strahlungslosen

Energietransfers zwischen Atomen eines

Neon-Dimers gemessen.

 

Die effiziente

Umverteilung von Energie in molekularen

Systemen nach Einwirkung energiereicher

Strahlung ist von grundlegender Bedeutung für

viele chemische und biochemische Reaktionen.
Zoom (17 KB)

Energieschema zum interatomaren Coulombzerfall

(ICD) im Neon-Dimer nach 2s-Ionisation eines

der beiden Atome (links). Die diskreten

gebundenen Zustände mit der entsprechenden

Besetzung an Elektronen (grüne Kreise) sind

als horizontale Linien dargestellt. Darüber

grün schattiert jeweils ab der

Ionisationsgrenze der Bereich der

kontinuierlichen Zustände freier Elektronen.

Das 2s-Loch im Ne+-Ion (links) wird durch ein

2p-Elektron aufgefüllt. Durch elektrische

Wechselwirkung (rot gestrichelte Linie) mit

einem 2p-Elektron im benachbarten (Abstand R)

neutralen Ne-Atom kann dieses ionisiert

werden. Grafik: MPI für Kernphysik

Für den Energietransfer in atomaren und

molekularen Systemen spielen strahlungslose

Prozesse nach Einwirkung energiereicher

Strahlung eine große Rolle. Gerade für leichte

Atome sind diese gegenüber der Emission von

Licht (Fluoreszenz) oft wesentlich schneller

und effizienter. Viele chemische oder gar

biochemische Reaktionen werden durch

Umverteilung von Energie bestimmt, die – an

einer Stelle absorbiert – an einer anderen

Stelle zu interner Bewegung oder gar dem

Aufbruch einer chemischen Bindung führen kann.

Vielfach wird hier die Energie durch die

Bewegung von Elektronen transportiert, aber

auch die elektrische Kraft zwischen Elektronen

allein reicht für einen effizienten

Energietransfer aus – selbst über (auf

atomarem Maßstab) größere Distanzen.

Ein Beispiel für einen sehr effizienten

Energietransfer zwischen schwach gebundenen

Atomen ist der so genannte interatomare

Coulombzerfall (ICD). Er wurde Ende der 1990er

Jahre von Lorenz Cederbaum, Professor für

Physikalische Chemie an der Universität

Heidelberg, vorhergesagt. Die Abbildung

veranschaulicht diesen Prozess am Beispiel

eines Neon-Dimers (Ne2), bestehend aus zwei

sehr schwach aneinander gebundenen

Neon-Atomen. Zunächst wird durch Einwirkung

energiereicher Strahlung (z. B. Absorption von

UV-Licht) ein inneres Elektron (Zustand 2s)

von einem der beiden Neon-Atome entfernt. Das

zurückbleibende ‚Loch‘ kann dann durch eines

der äußeren 2p-Elektronen aufgefüllt werden.

Da diese Energie nicht ausreicht, um ein

weiteres 2p-Elektron herauszuwerfen (atomarer

Auger-Effekt), kann sich ein einzelnes

Neon-Ion nur durch Emission von Licht

stabilisieren, was verhältnismäßig langsam

(innerhalb von einigen Nanosekunden)

geschieht. Befindet sich aber nun – wie in dem

Dimer – in der Nähe (Abstand R) ein weiteres

neutrales Neon-Atom, so kann dieses die

Energie strahlungslos aufnehmen, was dort zur

Freisetzung eines 2p-Elektrons ausreicht. Der

Energieübertrag wird durch die elektrische

(Coulomb-)Wechselwirkung der beiden aktiven

Elektronen vermittelt.

Es ist aus verschiedenen Untersuchungen

bekannt, dass der ICD recht effizient und

rasch abläuft. Wie schnell dies aber vor sich

geht, konnte bisher nicht direkt experimentell

bestimmt werden. Der Gruppe um Robert

Moshammer vom Heidelberger Max-Planck-Institut

für Kernphysik (MPIK) ist diese Messung nun

erstmals gelungen. Dazu haben die Forscher am

Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH)

Neon-Dimere mit extremer UV-Strahlung

bestrahlt, wobei sie jeweils Paare von

Lichtblitzen mit einstellbarer Verzögerung

verwendeten. „Mit dem ersten Blitz erzeugen

wir ein 2s-Loch in einem der beiden Atome und

fragen dann mit dem zweiten Blitz ab, ob das

andere Atom bereits durch ICD ebenfalls

ionisiert wurde“, erläutert Kirsten Schnorr,

Doktorandin am MPIK. Dabei ergab sich, dass

der ‚drahtlose‘ ICD-Energietransfer

typischerweise 150 Femtosekunden (10–15s)

dauert. Dies ist sehr schnell im Vergleich zur

o. g. Fluoreszenz, aber immer noch ca. 100.000

mal langsamer als die Zeit, die ein

Lichtstrahl für die Distanz (R) von einigen

Atomdurchmessern zum Nachbaratom benötigt.

Daraus folgt, dass die Geschwindigkeit des ICD

durch die Zeit bestimmt wird, in welcher sich

das 2s-Loch auffüllt. Wie bei allen

Quantenprozessen dieser Art geschieht dies

zufällig innerhalb einer bestimmten

Lebensdauer (Halbwertszeit).

Der Energietransfer über ICD ist immer dann

von Bedeutung, wenn ein angeregtes Atom

Energie an seine unmittelbare Umgebung

strahlungslos abgeben kann. So wurde dies u.

a. auch in Anordnungen von Wassermolekülen

gefunden, die über Wasserstoffbrücken

ebenfalls nur schwach untereinander gebunden

sind. Die Ionisierung der Umgebung durch ICD

ist auch für biologische Systeme relevant bis

hin zu medizinischen Fragestellungen

(Strahlenschutz und -therapie).

Die experimentellen Daten, die zur

Veröffentlichung im Fachblatt „Physical Review

Letters“ angenommen worden sind, stimmen gut

mit theoretischen Vorhersagen überein.

Allerdings nur, wenn bei den Rechnungen die

Bewegung der Ne-Atome zwischen der Anregung

und dem ICD-Zerfall berücksichtigt wird. Diese

Abhängigkeit soll in weiteren Experimenten

näher untersucht werden.

Originalveröffentlichung:
Time-Resolved Measurement of Interatomic

Coulombic Decay in Ne2; Kirsten Schnorr et

al.; „Physical Review Letters“, accepted

Begeistert: Susanne Härpfer