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12.11.2012:
36 auf einen Streich – Forscher beobachten „unmögliche“ Ionisation

Weltstärkster Röntgenlaser schießt Rekordzahl von Elektronen aus einem Atom

Der Nachweis extrem hochgelader Xenon-Ionen nach Beschuss mit Röntgen-Laserpulsen an der Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC in Stanford wurde mit der CAMP-Experimentierkammer ermöglicht. Diese Apparatur wurde von der Max Planck Advanced Study Group speziell für Messungen mit Freie-Elektronen-Lasern (FEL) entwickelt und aufgebaut.

Mit dem weltstärksten Röntgenlaser haben Forscher der Max Planck Advanced Study Group (ASG) am Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ein überraschendes Verhalten von Atomen entdeckt: Mit einem einzigen Röntgenblitz konnte das internationale Team um Daniel Rolles die Rekordzahl von 36 Elektronen auf einmal aus einem Xenon-Atom herausschießen. Das sind deutlich mehr, als bei der Energie der verwendeten Röntgenstrahlung rechnerisch überhaupt möglich ist. Die Wissenschaftler stellen ihre unerwarteten Beobachtungen im Fachblatt „Nature Photonics“ vor. Das CFEL ist eine Kooperation von Max-Planck-Gesellschaft, DESY und Universität Hamburg. (Nature Photonics, 11.11.2012 online)

Verliert ein Atom Elektronen, bekommt es eine positive elektrische Ladung – es wird ionisiert. Diese Ionisation ist umso stärker, je mehr Elektronen dem Atom entrissen werden. Die Forscher um den Physiker Daniel Rolles von der Max Planck Advanced Study Group am CFEL hatten an der Linac Coherent Light Source (LCLS) des US-Forschungszentrums SLAC in Kalifornien Atome des Edelgases Xenon mit intensiven Röntgenlaserblitzen beschossen. Die Lichtteilchen (Photonen) der verwendeten Röntgenstrahlung hatten mit 1,5 Kilo-Elektronenvolt (1,5 keV) rund tausendmal mehr Energie als sichtbares Licht. Trifft so ein energiereiches Photon auf ein Elektron in der Xenon-Atomhülle, gibt es seine Energie an das Elektron ab. Durch diesen Stoß kann das Elektron aus der Atomhülle herausgeschubst werden – je nachdem, wie fest es gebunden ist.

Rechnerisch lassen sich bei der verwendeten Energie bis zu 26 der 54 Elektronen des Edelgases herausschießen, die übrigen sind zu stark gebunden. Tatsächlich beobachteten die Wissenschaftler jedoch, dass bis zu 36 Elektronen aus den Atomen flogen. „Nach unserem Wissen ist das die höchste Ionisation, die jemals mit einem einzigen elektromagnetischen Impuls in einem Atom erreicht worden ist“, betont Rolles. „Unsere Beobachtung zeigt, dass die bestehenden theoretischen Ansätze modifiziert werden müssen.“

Ursache für die „unmögliche“ Ionisation ist eine sogenannte Resonanz: Im verwendeten Energiebereich können die Xenon-Elektronen sehr viel Röntgenstrahlung aufnehmen. Manche werden dadurch direkt aus dem Atom hinausbefördert, andere gehen in einen angeregten, das heißt energiereicheren Zustand über, sind aber noch gebunden. Fällt eines der angeregten Elektronen jedoch in seinen Ausgangszustand zurück, wird wiederum Energie frei, die einem anderen angeregten Elektron den nötigen Extra-Schubs geben kann, um es ganz aus dem Atom zu befördern. In seltenen Fällen wird auch das bereits angeregte Elektron von einem zweiten Photon aus dem Röntgenblitz getroffen und so aus der Atomhülle geschossen.

„Das LCLS-Experiment hat einen unerwarteten und zuvor unerreichten Ladungszustand produziert, indem gleich Dutzende Elektronen aus einem Atom katapultiert wurden“, unterstreicht Ko-Autor Benedikt Rudek, Doktorand am CFEL, der die Daten analysiert hat. „Die absorbierte Energie pro Atom war mehr als doppelt so hoch wie erwartet.“ Dieser Resonanzeffekt ist für Xenon gerade bei einer Energie von 1,5 keV besonders stark. Entsprechend beobachteten die Forscher selbst bei einer höheren Energie von 2 keV nur weniger stark ionisierte Atome. Auf Grundlage der Messungen verfeinerten CFEL-Wissenschaftler ein mathematisches Modell, mit dem sich solche Resonanzen in schweren Atomen berechnen lassen. In Folgeexperimenten haben Forscher unter anderem Krypton und Moleküle mit schweren Atomen an der LCLS untersucht, wie Ko-Autor Artem Rudenko von der Kansas State University betont, der eines dieser Folgeexperimente geleitet hat.

Die Beobachtungen haben auch praktische Bedeutung für die Forschung: „Unsere Ergebnisse liefern ein Rezept, um den Elektronenverlust in einer Probe zu maximieren“, erläutert Rolles. Das kann erwünscht oder unerwünscht sein. „Beispielsweise können Forscher unsere Ergebnisse nutzen, die ein sehr stark elektrisch geladenes Plasma erzeugen wollen.“ Bei der Untersuchung biologischer Proben hingegen sollten Wissenschaftler die Resonanzbereiche solcher schweren Atome vermeiden. „Die meisten biologischen Proben enthalten einige schwere Atome“, betont Rolles. Im Resonanzbereich werden solche Proben an diesen Stellen besonders schnell beschädigt, was die Abbildungsqualität beeinträchtigen kann.

Für die Präzisionsmessungen an der LCLS diente eine von der ASG am CFEL entwickelte Experimentierkammer, die in insgesamt 40 Kisten komplett nach Kalifornien verschifft wurde. Diese CFEL-ASG Multi-Purpose chamber (CAMP) war drei Jahre an der LCLS aufgebaut und kam bei mehr als 20 Experimenten zum Einsatz. An der Untersuchung waren außer CFEL, DESY und dem US-Forschungszentrum SLAC die ASG mit den Max-Planck-Instituten für Kernphysik, medizinische Forschung und Halbleiterlabor sowie rund ein Dutzend Institutionen aus Deutschland, Frankreich, Japan und den USA beteiligt. Die Federführung von der Idee über die Antragstellung bis zu den Messungen und deren Auswertung lag bei der ASG. Weitere wichtige Beiträge waren die Modellrechnungen aus der CFEL-Theorieabteilung von Robin Santra, die Unterstützung vor Ort durch LCLS/SLAC und die weiteren Kooperationspartner.

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Originalveröffentlichung:
„Ultra-efficient ionization of heavy atoms by intense X-ray free-electron laser pulses“
Daniel Rolles et al.
Nature Photonics, advance online publication 11.11.2012
 DOI: 10.1038/nphoton.2012.261

 Max Planck Advanced Study Group am CFEL

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Kontakt:

Dr. Daniel Rolles
Center for Free-Electron Laser Science (CFEL)
Tel.: +49 40 8998-6239
E-Mail:  daniel.rolles(at)asg.mpg.de

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit des MPIK

Presse DESY:
Dr. Thomas Zoufal
Tel.: +49 8998-1666
E-Mail:  presse(at)desy.de

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