Forschung 25.07.2022, 08:57 Uhr

Attosekunden-Messung an Elektronen in Wasser-Clustern

Forschende an der ETH Zürich haben eine Methode entwickelt, mit der nur wenige Attosekunden dauernde Elektronenbewegungen in Wasser-​Clustern zeitlich aufgelöst werden können. Die Technik kann auch für schnellere Elektronik benutzt werden.
Wasser-​Cluster können durch einen kurzen Laserpuls im extremen Ultraviolett-​Bereich ionisiert werden
(Quelle: ETHZ)
Nahezu alle lebenswichtigen chemischen Prozesse spielen sich in wässrigen Lösungen ab. Eine entscheidende Rolle bei diesen Prozessen spielen Elektronen, die zwischen verschiedenen Atomen und Molekülen ausgetauscht werden und so beispielsweise für die Bildung oder Auflösung von chemischen Bindungen sorgen.
Wie das im Detail vor sich geht, ist allerdings nur schwer zu untersuchen, da sich die Elektronen dabei sehr schnell bewegen. Forschenden der ETH Zürich unter Leitung von Hans Jakob Wörner, Professor für physikalische Chemie, ist es nun in Zusammenarbeit mit Kollegen des Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) gelungen, die Dynamik von Elektronen in Clustern aus Wassermolekülen mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Attosekunden zu studieren. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich vorab im Fachjournal Nature veröffentlicht.

Zeitverzögerung bei der Ionisierung

In ihren Experimenten untersuchten die Wissenschaftler:innen, wie Wasser-​Cluster durch einen kurzen Laserpuls im extremen Ultraviolett-​Bereich ionisiert werden. Dazu werden zunächst Cluster erzeugt, indem man Wasserdampf unter hohem Druck durch eine winzige Düse presst. Die extrem-​ultravioletten Photonen des Laserpulses sorgen dann mit ihrer Energie dafür, dass eines der Elektronen im Cluster herausgelöst wird. Dadurch entsteht eine Fehlstelle, auch «Loch» genannt.
“Mit diesen Attosekunden-​Messungen haben wir ganz neue Forschungsmöglichkeiten aufgetan.„
Hans Jakob Wörner, ETHZ
Das Elektron wird allerdings nach dem Auftreffen des Pulses nicht augenblicklich, sondern mit einer kleinen Zeitverzögerung herausgelöst. Wie gross die Verzögerung ist, hängt davon ab, wie sich das Elektronenloch über die Moleküle des Clusters verteilt. «Diese Verteilung des Lochs konnte bisher nur theoretisch berechnet werden, da die Verzögerung viel zu kurz ist, um mit den üblichen experimentellen Nachweismethoden gemessen werden zu können», erklärt Xiaochun Gong, der das Experiment als Postdoktorand betreut hat.

Autor(in) Oliver Morsch, ETH News



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