26.03.2015

Forschungsverbund Berlin e.V.

Klassisch oder nicht? Physik der Nanoplasmen

Die Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Partikeln auf einer Nanometer-Skala resultiert in der Erzeugung eines expandierenden Nanoplasmas. In der Vergangenheit wurde die Dynamik eines Nanoplasmas typischerweise durch klassische Phänomene wie die thermische Emission von Elektronen beschrieben. Im Gegensatz dazu demonstriert eine neue Studie über die Wechselwirkung von intensiven nah-infraroten (NIR) Laserpulsen mit molekularen Sauerstoff-Clustern, dass Phänomene eine wichtige Rolle spielen, die nur quantenmechanisch beschrieben werden können.

Zum ersten Mal wurde nun ein Beweis dafür gefunden, dass autoionisierende Zustände in Nanoplasmen auf effiziente Weise entstehen. Autoionisation dieser sogenannten superangeregten Zustände in atomarem Sauerstoff kann direkt auf einer Nanosekunden-Zeitskala beobachtet werden, während für Prozesse, die auf kürzeren Zeitskalen stattfinden, indirekte  Spuren sichtbar sind. Autoionisation wird in verschiedenen Clustern beobachtet, und es wird erwartet, dass diese Prozesse auch wichtig sind für die Wechselwirkung von endlichen Systemen mit intensiven extrem-ultravioletten (XUV) und Röntgenpulsen von neuartigen Freie-Elektronen Lasern.

Als Folge der Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Clustern zeigen die gemessenen Elektronenspektren typischerweise eine kontinuierliche Verteilung. In der Vergangenheit führte das Fehlen von Spuren diskreter Zustände zu der Schlussfolgerung, dass die Dynamiken von geladenen Partikeln während der Cluster-Expansion gut durch ein vollständig klassisches Verhalten beschrieben werden können. Eine Auswirkung davon ist, dass Simulationen, die die Wechselwirkung von intensiven Lasern mit Clustern, Nanopartikeln oder großen Molekülen modellieren, oft auf quasiklassische Ansätze zurückgreifen. Mit dem Aufkommen neuer Laserquellen und zeitaufgelöster Techniken innerhalb des letzten Jahres begann dieses Bild zu wackeln. Kürzlich wurde über eine effiziente Erzeugung von angeregten Atomen in Nanoplasmen berichtet, die durch Elektronen-Ionen Rekombination ausgelöst wird. Wenn ein Atom mit 2 Elektronen in angeregten Zuständen entsteht, kann es durch Elektronen-Korrelation zerfallen, wobei ein Elektron in das Kontinuum emittiert wird, während das 2. Elektron in einen niedrigeren gebundenen Zustand relaxiert. Da jedoch die Elektronen, die in einem solchen Autoionisations-Prozess emittiert werden, kinetische Energie mit der Cluster-Umgebung austauschen, waren diese bisher nicht in Experimenten beobachtet worden.

In einer Kollaboration angeführt von Wissenschaftlern des Max-Born-Instituts wurde nun über den ersten Beweis für Autoionisation als Folge der Wechselwirkung zwischen intensiven NIR-Laserpulsen und Clustern berichtet. In der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters [114, 123002 (2015)] präsentieren Bernd Schütte, Marc Vrakking und Arnaud Rouzée sowie ihre Kollegen Jan Lahl, Tim Oelze und Maria Krikunova von der TU Berlin die Ergebnisse, die in Sauerstoff-Clustern erzielt wurden. Dieses System wurde gewählt, weil bereits bekannt war, dass Sauerstoff-Atome langlebige autoionisierende Zustände aufweisen. In der aktuellen Studie wurden deutliche Peaks im Elektronen-Spektrum von Sauerstoff-Clustern beobachtet, die mit intensiven NIR-Pulsen ionisiert wurden (siehe Abbildung rechts). Diese Peaks konnten gut bekannten autoionisierenden Zuständen zugeordnet werden, und es wurde gezeigt, dass sie auf einer Nanosekunden-Zeitskala zerfallen, wenn sich der Cluster bereits deutlich ausgedehnt hat. Deshalb war der Einfluss der Umgebung auf die Elektronen, die als Folge der Autoionisation emittiert wurden, vernachlässigbar.

Die beobachteten Beiträge der Autoionisation waren sehr empfindlich bezüglich der Intensität des NIR-Laserpulses. Bei größeren Intensitäten wurden die Autoionisations-Peaks verschmiert, waren jedoch immer noch sichtbar. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Autoionisation in vielen Experimenten eine wichtige Rolle spielt, in denen die Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Partikeln auf einer Nanometer-Skala untersucht wird, selbst dann, wenn diese Prozesse nicht direkt im Elektronen-Spektrum beobachtet werden können. Bereits zuvor wurde gezeigt, dass die beobachtete Nanoplasma-Dynamik als Folge intensiver XUV und NIR Ionisation von Clustern ähnlich sind, weshalb erwartet wird, dass die aktuellen Ergebnisse auch eine hohe Relevanz für Experimente an neuartigen Freie-Elektronen Lasern haben. Die experimentellen Funde der Autoionisation sind des Weiteren wichtig, um theoretische Modelle von Nanoplasmen in der Zukunft zu verbessern und so ein besseres Verständnis über die zugrundeliegenden mikroskopischen Prozesse zu gewinnen.

Literatur
Bernd Schütte, Jan Lahl, Tim Oelze, Maria Krikunova, Marc J. J. Vrakking and Arnaud Rouzée, "Efficient autoionization following intense laser-cluster interactions", Physical Review Letters 114, 123002 (2015), doi: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.123002

Quelle