COLTRIMS

Die COLTRIMS-Methode (englisch Cold 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,
• positionssensitiven Mehrkanalplatten-Detektoren (MCP),
• einer schnellen Flugzeitelektronik.

Da Elektronen und Ionen in Koinzidenz registriert werden, können selbst komplexe Vielteilchenprozesse vollständig analysiert werden.

Anwendungen

COLTRIMS wird heute in zahlreichen Bereichen der modernen Quantenphysik eingesetzt:

• Photoionisation durch Synchrotronstrahlung,
• Multiphotonenionisation in starken Laserfeldern,
• Attosekundenphysik,
• Elektronenstoßionisation,
• Molekülfragmentation,
• Untersuchung von Korrelationsphänomenen zwischen Elektronen,
• Messungen von Winkelverteilungen und Interferenzmustern.

Besonders wichtig ist die Methode für die Untersuchung korrelierter Elektronenbewegungen, da die Impulse aller beteiligten Teilchen gleichzeitig bestimmt werden können.

Auswahl an Ergebnissen

• 2007: Young – neu entdeckt
• 2008: Schnappschuss der Elektronenhülle und des Atomkerns eines Moleküls.
• 2008: Tunneln auf die Schnelle?
• 2009: Was tunnelt?
• 2013: Die Spaltung eines Wasserstoffmoleküls erfolgt asymmetrisch.

• 2014: Struktur des Heliumtrimers : linear oder dreieckig?

• 2015: Riesen-Trio aus Helium-Atomen.

• 2016: Was hält Helium-Moleküle zusammen?

• 2019: Photonenimpuls trifft Elektron und Atomkern.

• 2019: Händigkeit bei der Photoionisation von Molekülen untersucht.

• 2020: Laufzeit eines Photons durch ein Wasserstoffmolekül bestimmt.

• 2020: Elektronendynamik nach der Photoionisation sichtbar gemacht.

• 2020: Momentaufnahmen der Fragmentation von Sauerstoffmolekülen mit einem Röntgenlaser.

• 2020: Compton-Effekt auf der Ebene einzelner Elektronen untersucht.

• 2021: Entstehung von Strahlungsschäden beim Zerfall von Wassermolekülen beobachtet.

• 2022: Zeitdauer des photoelektrischen Effekts in Molekülen bestimmt.

• 2022: Molekülstruktur mittels Coulomb-Explosion abgebildet.

• 2024: Kapitza-Dirac-Effekt an Elektronenwellen untersucht.

• 2025: Nullpunktsfluktuationen in komplexen Molekülen erstmals direkt sichtbar gemacht.

• 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

• Tunnelionisation,
• Elektronenkorrelationen,
• Photoemission,
• Re-Kollisionen in starken Laserfeldern

experimentell untersuchen. In Kombination mit Attosekunden-Lichtpulsen erlaubt COLTRIMS die Rekonstruktion elektronischer Bewegungen auf Zeitskalen von wenigen .

Einzelnachweise