Die COLTRIMS-Methode (englischCold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) ist eine bildgebende, experimentelle Methode der Atom-, Molekül- und Attosekundenphysik. Mithilfe dieser Methode können die Impulse und kinetischen Energien aller bei einer atomaren oder molekularen Reaktion entstehenden geladenen Fragmente, wie Elektronen und Kerne, vollständig vermessen und die Korrelationen der Teilchen untereinander vollständig erfasst werden. COLTRIMS wird deshalb häufig auch als Reaktionsmikroskop bezeichnet. Die Technik wurde in den 1990er Jahren insbesondere von der Frankfurter Arbeitsgruppe um Horst Schmidt-Böcking, Joachim Ullrich, Reinhard Dörner und Mitarbeitern entwickelt.
Mithilfe von COLTRIMS ist eine kinematisch vollständige Rekonstruktion von Stoß-, Ionisations- und Fragmentationsprozessen möglich. Dazu werden die dreidimensionalen Impulse von Elektronen und Ionen in Koinzidenz gemessen. Aus den gemessenen Flugzeiten und Auftreffpositionen auf ortsauflösenden Detektoren lassen sich die Endzustände eines quantenmechanischen Prozesses komplett bestimmen.
Prinzip
Würde man in einem Gedankenexperiment die Coulomb-Wechselwirkung augenblicklich abschalten, bewegten sich Elektronen und Atomkerne mit ihren momentanen Impulsen geradlinig weiter bis in den makroskopischen Nachweisapparat. Jedes Fragment könnte mit einem orts- und zeitauflösenden Detektor registriert werden, sodass sich seine ursprüngliche Impulsverteilung nahezu unverfälscht rekonstruieren ließe.
Diesem Gedankenexperiment kommt eine schnelle Anregung durch Absorption eines Photons sehr nahe. Reelle Photonen können eine große Energie übertragen, besitzen aufgrund ihres Impulses
jedoch nur einen vergleichsweise kleinen Rückstoßimpuls. Ein Elektron mit einer kinetischen Energie von 200 eV hat einen rund 70-mal höheren Impuls als ein Photon mit derselben Energie. Erfolgt die Anregung auf einer Zeitskala, die kurz gegenüber der inneren Dynamik des Atoms oder Moleküls ist, bleiben die momentanen Bewegungszustände der Elektronen und Kerne während des Übergangs praktisch unverändert. Das anschließend ionisierte oder hoch angeregte System zerfällt in geladene Fragmente. Aus deren gemessenen Endimpulsen lassen sich die ursprünglichen mikroskopischen Bewegungszustände rekonstruieren.
Das Target besteht aus einem kalten, stark verdünnten Gasstrahl aus Atomen oder Molekülen. In dem betrachteten Zeitfenster soll nur ein Projektil auf ein Gasteilchen treffen. Durch die Wechselwirkung mit gepulsten Photonen-, Elektronen- oder Ionenstrahlen entstehen geladene Fragmente, deren Bewegung in schwachen elektrischen und magnetischen Feldern auf zwei gegenüberliegende, orts- und zeitauflösende Detektoren abgebildet wird. Aus den Flugzeiten und Auftreffpositionen werden die vollständigen dreidimensionalen Flugbahnen der Fragmente bestimmt.
Gemessen werden
die Flugzeit ,
die Auftreffposition ,
die Ladung und Teilchenart der Fragmente.
Aus diesen Größen erhält man die Impuls, kinetische Energie und Drehimpuls aller nachgewiesenen Teilchen. Auftreffposition und Flugzeit erlauben die Rekonstruktion der dreidimensionalen Anfangsgeschwindigkeit bzw. des Anfangsimpulses. Aufgrund der Impuls- und Energieerhaltung können anschließend die Kinematik, Bindungszustände, Korrelationen und Dynamik des ursprünglichen Prozesses rekonstruiert werden.
Reaktionsmikroskop
Das Herzstück eines COLTRIMS-Experiments ist das sogenannte Reaktionsmikroskop. Es besteht aus
einer kalten Gasquelle. Ein Gas unter hohem Druck expandiert durch eine wenige zehn Mikrometer große Düse in ein Hochvakuum. Während der nahezu adiabatischen Überschallexpansion wird ein Großteil der thermischen Energie in eine gerichtete Strömungsbewegung umgewandelt. Dadurch verringert sich die Geschwindigkeitsstreuung der Atome oder Moleküle erheblich, sodass ein kollimierter Überschallgasstrahl mit einer effektiven Temperatur von nur wenigen Kelvin entsteht,
einem homogenen elektrischen Extraktionsfeld,
einem schwachen Magnetfeld zur Führung langsamer Elektronen,
Besonders wichtig ist die Methode für die Untersuchung korrelierter Elektronenbewegungen, da die Impulse aller beteiligten Teilchen gleichzeitig bestimmt werden können.
2026: Molekülgeometrie unmittelbar vor dem Zerfall rekonstruiert.
Bedeutung für die Attosekundenphysik
In der Attosekundenphysik dient COLTRIMS als eines der wichtigsten Nachweisverfahren. Da die Impulse der emittierten Elektronen mit hoher Präzision bestimmt werden können, lassen sich zeitaufgelöste Prozesse wie
experimentell untersuchen. In Kombination mit Attosekunden-Lichtpulsen erlaubt COLTRIMS die Rekonstruktion elektronischer Bewegungen auf Zeitskalen von wenigen .
↑Thorsten Naeser:Ultraschneller Tauchgang in die Atome: Attosekunden-Blitze erkunden den Quantenkosmos. 1. Auflage. WILEY-VCH, Weinheim 2014, ISBN 978-3-527-41125-2, S.67.
