Grundzustandskorrelationen und dynamische Prozesse untersucht in Ion-Helium-Stößen

In der hier vorliegenden Arbeit wurden Fragen der atomaren Korrelation sowie Verschränkung untersucht und ein Beobachtungsfenster geöffnet, durch welches es möglich ist, Einblick in die Grundzustandswellenfunktion von Helium zu erhalten. Der Elektronentransfer (Pq++He->P(q-1)++He+) in schnellen Ion-Atom-Stößen findet im Bereich des Überlapps der Wellenfunktionen des gebundenen Anfangs- und Endzustandes statt [JOpp28a, MMcD70]. Daher kann diese Reaktion besonders selektiv an der Grundzustandswellenfunktion angreifen. Die bei der Transferionisation (Pq++He->P(q-1)++He2++e-) zusätzlich stattfindende Ionisation involviert auch das zweite Elektron. Dadurch ist es möglich die komplexe Vielteilchendynamik zu untersuchen und wie später in dieser Arbeit gezeigt wird, unter bestimmten Bedingungen auch sensitiv auf die Anfangszustandskorrelation zu sein! Die Messungen wurden mit H+-, He+- und He2+-Projektilen bei Einschussenergien von 40 - 630 keV/u (1,25 < vP < 5,02 a. u.) durchgeführt. Durch den Elektronentransferprozess wird auch die Vermessung des Endzustandes, den Impulsen, aller drei Teilchen (Projektil, Elektron und He2+-Rückstoßion) erleichtert. Durch das umgeladene, dann neutrale, Projektil werden zusätzlich die Post-Collision-Effekte minimiert. Zur experimentellen Untersuchung kommt die seit Jahren etablierte Technologie des Reaktionsmikroskops (COLTRIMS, COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) zum Einsatz [HSch89, RDoe00a, JUll03], die sich durch eine 4¼-Impulsakzeptanz für alle emittierten Teilchen auszeichnet. Nach Kreuzung der Projektilionen mit einem kalten und wohl lokalisierten Gasstrahl werden die umgeladenen Projektile detektiert. Die im Überlappbereich entstehenden Elektronen und Ionen werden mittels elektrischer und magnetischer Felder ebenfalls auf orts- und zeitauflösenden Detektoren projiziert. Anhand des Auftreffortes und der Flugzeit können die dreidimensionalen Impulsvektoren eindeutig rekonstruiert werden. Je nach Energie Projektile dominieren unterschiedliche atomare Reaktionsmechanismen. Entsprechend sind es zwei Fragenkomplexe, denen sich diese Arbeit hauptsächlich widmet: - Was ist die Reaktionsdynamik? Welche Mechanismen tragen zur Reaktion bei und wie hängen diese von Projektilladung und -energie ab? - Lässt sich die Grundzustandswellenfkt. mit dieser Technik abbilden? Die erzielten Ergebnisse sehen wie folgt aus: - Im Bereich langsamer Stöße (vP <= vB;e) wird der Stoßprozess in einem quasimolekularen Bild beschrieben (Sattelpunktionisation). Hier konnten im Wesentlichen die experimentellen Ergebnisse von Schmidt zum symmetrischen Stoßsystems He2+/He [LSch00] bestätigt und zu höheren Projektilgeschwindigkeiten fortgeschrieben werden (60 keV/u). Für die Stoßsysteme He+/He und H+/He wurden sehr ähnliche Emissionsstrukturen im Impulsraum gefunden. - Bei allen untersuchten Projektilenergien und Stoßsystemen wurde eine vom Elektroneneinfang unabhängige Stoßionisation durch Wechselwirkung mit dem Projektil (Binary Encounter, BE) gefunden. Die Erwartung, dass der Targetkern nur Beobachter der Ionisation ist, wurden eindeutig widerlegt und die Abweichungen als Folge von Korrelationseffekten gedeutet. - Speziell für das Stoßsystem He+/He bei 60 keV/u wurden sehr viele im Geschwindigkeitsraum um vP verteilte Elektronen beobachtet und einem Dreistufenprozess zugeschrieben: Zuerst erfolgt die Ionisation des Projektils und anschließend ein resonanter Zweielektroneneinfang. - Wird ein Elektron sehr schnell entfernt, wie durch den Elektroneneinfang bei hohen Projektilgeschwindigkeiten (vP ¸ 3 a. u.) findet die Ionisation sehr häufig durch Shake-off [TAbe67] statt. Die Elektronen wurden entgegen der Strahlrichtung emittiert, zu negativen Longitudinalimpulsen. Darüberhinaus wurde kein Unterschied zwischen den verschiedenen Projektilen beobachtet. Da für den Shake-off-Prozess unter den hier realisierten Bedingungen das Projektil nicht mit dem emittierten Elektron wechselwirkte, spiegelt die Elektronenimpulsverteilung direkt den, durch den Elektroneneinfang präparierten Anteil, der Grundzustandswellenfunktion wider [AGod04, MSch05]. Theoretische Rechnungen bestätigen, dass die rückwärtige Elektronenemission nur durch die stark korrelierten nicht-s2-Anteile im Heliumgrundzustand zu erklären ist. Diese Beimischungen höherer Drehimpulse von weniger als 2 % konnten entgegen der verbreiteten Lehrmeinung zum ersten Mal experimentell nachgewiesen und vermessen werden

Streaking temporal double slit interference by an orthogonal two-color laser field

We investigate electron momentum distributions from single ionization of Ar by two orthogonally polarized laser pulses of different color. The two-color scheme is used to experimentally control the interference between electron wave packets released at different times within one laser cycle. This intracycle interference pattern is typically hard to resolve in an experiment. With the two-color control scheme these features become the dominant contribution to the electron momentum distribution. Furthermore the second color can be used for streaking of the otherwise interfering wave packets establishing a which-way marker. Our investigation shows that the visibility of the interference fringes depends on the degree of the which-way information determined by the controllable phase between the two pulses.Comment: submitted to PR

Laser-sub-cycle two-dimensional electron momentum mapping using orthogonal two-color fields

The two-dimensional sub-cycle-time to electron momentum mapping provided by orthogonal two-color laser fields is applied to photoelectron spectroscopy. Using neon as the example we gain experimental access to the dynamics of emitted electron wave packets in electron momenta spectra measured by coincidence momentum imaging. We demonstrate the opportunities provided by this time-to-momentum mapping by investigating the influence of the parent ion on the emitted electrons on laser-sub-cycle times. It is found that depending on their sub-cycle birth time the trajectories of photoelectrons are affected differently by the ion's Coulomb field

Observation of the Efimov state of the helium trimer

Quantum theory dictates that upon weakening the two-body interaction in a three-body system, an infinite number of three-body bound states of a huge spatial extent emerge just before these three-body states become unbound. Three helium atoms have been predicted to form a molecular system that manifests this peculiarity under natural conditions without artificial tuning of the attraction between particles by an external field. Here we report experimental observation of this long predicted but experimentally elusive Efimov state of $^{4}$He$_{3}$ by means of Coulomb explosion imaging. We show spatial images of an Efimov state, confirming the predicted size and a typical structure where two atoms are close to each other while the third is far away

Investigating absolute stereochemical configuration with coulomb explosion imaging

It is a particularly challenging task in stereochemistry to determine the absolute configuration of chiral molecules, i.e. to assign to a given sample the microscopic enantiomeric structure. In recent years, Coulomb Explosion Imaging (CEI) has been shown to yield directly the absolute configuration of small molecules in the gas phase. This contribution describes the experimental basics of this approach, highlights the most significant results and discusses limitations. A short discussion on extending Coulomb Explosion Imaging beyond analytic aspects to fundamental questions of molecular chirality concludes this review