Rasant schnell springen angeregte Elektronen zwischen Umlaufbahnen und verschiedenen Atomen hin und her. Auf solchen Hochgeschwindigkeitsprozessen basiert beispielsweise die Stromgewinnung mit Solarzellen. Deutschen Forschern gelang es nun, mithilfe von Röntgenpulsen den Wettlauf von Elektronen zwischen einem Schwefel- und einem Ruthenium-Atom mit einer ausgeklügelten Stoppuhr zu messen. Ihr Ergebnis, das sie im Fachblatt Nature (Vol. 436, S. 373) präsentieren: Die Elementarteilchen benötigten für einen Sprung 320 Milliardstel einer Milliardstel Sekunde, kurz: 320 Attosekunden.
“Wir drangen mit unserer Methode in die Attosekunden-Region vor, indem wir die Lebenszeit eines inneren Elektronenloches als interne Referenz-Uhr nutzten”, erklärt das Team um Wilfried Wurth von der
Universität Hamburg. Zusammen mit Kollegen der
Technischen Universität München und der spanischen
Universidad del País Vasco in San Sebastian deponierte Wurth Schwefel-Atome auf einer hochreinen Oberfläche aus dem Metall Ruthenium. Mit polarisierten Röntgenpulsen des Synchrotronrings am
MAX-Lab im schwedischen Lund regten die Wissenschaftler dann Elektronen an, die sich auf inneren Bahnen um den Kern eines Schwefelatoms bewegen. Damit setzten sie dynamische Prozesse zwischen weiteren Elektronen in Gang.
Befindet sich nun ein Schwefelatom auf einer Rutheniumoberfläche, kann ein angeregtes Schwefelelektron quasi von einem Rutheniumatom eingefangen werden. Über die bekannte Lebenszeit eines anderen angeregten Zustandes im Schwefelatom konnten die Physiker diesen Übergang zeitlich abschätzen. Damit steht nun eine elegante Methode zur Verfügung, selbst schnellste Elektronenprozesse nicht nur über so genannte Pump-und-Probe-Experimente mit Lasern, sondern auch mit polarisierten Röntgenstrahlen zu beobachten.
Neben einem besseren Verständnis der Elektronenprozesse in Solarzellen oder beim Signaltransport zwischen Zellen denken Wurth und Kollegen auch an Anwendungen im Computerbereich. So könnte die Eigendrehung von Elektronen, der so genannte Spin, eine Grundlage für zukünftige “Spintronik”-Module bilden. Eine Erklärung, wie schnell und wohin diese Elektronen sich dabei bewegen, könnte für die Entwicklung spintronischer Schaltkreise der Zukunft von großer Bedeutung sein.
Jan Oliver Löfken
