Explodierende Xenon-Nanopartikel

Neue Einblicke in die Wechselwirkung von Licht und Materie

Ein internationales Forscherteam um Wissenschaftler der Technischen Universität Berlin und der Universität Rostock konnte mit dem Röntgenlaser FLASH (ein neuartiges Röntgen-Mikroskop des Forschungszentrums DESY in Hamburg) die ultraschnelle, lichtgetriebene Explosion von Nanopartikeln aus Xenon beobachten.

Bild 1: Explodierender Xenon-Cluster mit freigesetzten Elektronen (blau). (Bild: Uni Rostock / Thomas Fennel)

Die Untersuchung dieser sogenannten Xenon-Cluster liefert neue Einblicke in die fundamentale Wechselwirkung von intensivem Licht mit Materie, wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review Letters“ berichten.

„Cluster sind von grundlegender Bedeutung für diese Untersuchung“, erklären Daniela Rupp von der Technischen Universität Berlin und Thomas Fennel von der Universität Rostock. „Sie weisen eine hohe Dichte auf und sind in der Gasphase gleichzeitig sehr gut von der Umgebung isoliert, wodurch eine ungestörte Analyse möglich wird.“ Die Forscher erzeugten die Cluster, indem sie kaltes Xenon-Gas unter Druck ins Vakuum bliesen. „Dabei kühlt das Gas weiter ab, so dass sich zunächst Tröpfchen bilden, die gefrieren und weiter zusammenklumpen, ähnlich wie ein Hagelkorn“, beschreibt Rupp.

Diese etwa 400 nm kleinen Xenon-Nano-partikel beschossen die Forscher mit den ultrakurzen, intensiven FLASH-Laserblitzen, die für einige billiardstel Sekunden eine Intensität von bis zu 500 Billionen W/cm² erreichten, erläutert Ko-Autor Rolf Treusch von DESY, Forschungskoordinator bei FLASH. Zum Vergleich: Sonnenlicht hat auf dem Erdboden eine Intensität von etwa 0,1 W/cm². Der helle Strahlungsblitz entriss den Xenon-Atomen im Cluster zahlreiche Elektronen und es bildete sich ein Plasma – ein heißes Gas aus elektrisch geladenen Atomen, Ionen also, und darum herum flitzenden Elektronen (Bild 1).

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Bild 2: Mit den hellen Röntgenblitzen des Röntgenlasers FLASH brachten die Forscher die Xenon-Cluster zur Explosion, konnten dabei mit demselben Röntgenblitz aber noch ein Bild des unzerstörten Clusters aufnehmen. Mit einem Ionenspektrometer konnten die Wissenschaftler gleichzeitig die Explosionsbruchstücke beobachten. (Bild: Daniela Rupp / TU Berlin)

Die Physiker konnten in ihrer Versuchsanordnung (Bild 2) die Entwicklung individueller Xenon-Cluster verfolgen und deren Größe sowie die genaue Energie bestimmen, mit der sie getroffen wurden. „Dies wurde möglich, da wir sowohl Momentaufnahmen der Cluster vor ihrer Zerstörung machen konnten, als auch die Ladungszustände der Bruchstücke nach der Explosion präzise vermessen“, berichtet Rupp.

Bei diesen Untersuchungen identifizierten die Wissenschaftler unter anderem eine bislang nicht beachtete Heizung in dem Plasma: „Jedes Mal, wenn sich ein Elektron wieder mit einem Xenon-Atom verbindet, gibt es Energie an das umgebende Plasma ab”, erläutert Fennel. „Dadurch bekommen am Ende solche Xenon-Ionen, die nicht mit Elektronen rekombinieren, prozentual mehr Energie – die Elektronen heizen diese Ionen quasi auf.”

„Die Ergebnisse lassen sich hervorragend mit der Theorie vereinbaren“, erklärt Fennel weiter. „Berücksichtigt man in der Theorie diese sogenannte ‘Rekombinationsheizung’, beschreibt sie genau unsere Beobachtungen. In dieser Untersuchung ergänzen sich theoretische Physik und Experimentalphysik in ausgezeichneter Weise.”

Bild 3: Der neuartige Röntgenlaser „FLASH“ schafft neue Einblicke in die Wechselwirkung von Licht und Materie. Thomas Fennel leitet das Rostocker Forschungsteam, das die theoretischen Modelle zu dieser Arbeit entwickelte. (Foto: Uni Rostock / ITMZ)

Neben den Wissenschaftlern der TU Berlin, der Universität Rostock und bei DESY waren an der Arbeit Forscher von der La Trobe University in Australien, dem US-Forschungszentrum SLAC in Kalifornien, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, der Universität Münster und dem Argonne National Laboratory in den USA beteiligt.

Originalarbeit
Recombination-enhanced surface expansion of clusters in intense soft X-ray laser pulses; Daniela Rupp, Leonie Flückiger, Marcus Adolph, Tais Gorkhover, Maria Krikunova, Jan Philippe Müller, Maria Müller, Tim Oelze, Yevheniy Ovcharenko, Benjamin Röben, Mario Sauppe, Sebastian Schorb, David Wolter, Rolf Mitzner, Michael Wöstmann, Sebastian Roling, Marion Harmand, Rolf Treusch, Mathias Arbeiter, Thomas Fennel, Christoph Bostedt, and Thomas Möller; „Physical Review Letters“, 2016. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.153401.

Kontakt:
Dr. Thomas Fennel
Universität Rostock, Institut für Physik
Arbeitsgruppe „Theoretische Clusterphysik und Nanophotonik“
E-Mail: thomas.fennel@uni-rostock.de
www.physik.uni-rostock.de/clustertheorie

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