1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed

Choice 1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.2.1. Elektronen 1.2.2. Atome, Moleküle 1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 1.4. Beispiel H2

1.5. Lichtgitter 1.6. Atomspiegel

Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“ Magnetisch: Stern-Gerlach

Ar*

Spiegel

2p8

Grundzustand

1s5

Laserkühlung:

Emission Absorbtion

Energie h

Impulsübertrag

p=h/c

Impulsübertrag

p=h/c

Na Atome= 589 nm, v = ~ / mc = 3cm/s (Pro Photon!)V= 1000m/sec auf v=0 3 104 Photonen2 =32nsec (10-9sec) ! 1mseca= 106m/sec2 (105 g!!!)

Dopplerverbreiterung:

Frequenz

LinieAtom inRuhe

Thermische Bewegung

Beispiel:Na D Linie 500K

Dopplerbreite 100mal natürlicheLinienbreite

E t > ~

Optische Molasse:

Atome mit v=0keine Wechselwirkung

v -> Gegenkraft

Reibung (Sirup)

Atome werden nicht gefangen(keine Ortsabhängige Kraft)

+ Ortsabhängiges B-Feld+ Zeemaneffekt-----------------------------MOT FALLE

m=-1 m=0 m=+1

Fazit:Nicht nur Energieauch Polarisationmuss stimmen

je na Richtungdes B Feldesnur rechts zirkular!

Verwende B Feld / Zeemanaufspaltungum Laserankopplung zu “schalten”

Antihelmholtzspulen

MagnetfeldB=0 in derMitte

|B| steigt in jede

Richtung

Magneto-Optical Trap

Magneto-Optical Trap

E = kT = ½ mv2

schwere Atome sind langsam -> Fangen aus dem “Hintergrund”leichte sind schnell -> erst abbremsen

Fallentiefe: meV

Cooling and Trapping of He*

Kompression Ablenkung (neutrales He*) Abbremsen

Falle

Natrium-MOT

Cloud of cold Ca atoms

1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice 1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.2.1. Elektronen 1.2.2. Atome, Moleküle 1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 1.4. Beispiel H2 1.5. Lichtgitter 1.6. Atomspiegel 1.7. Laserkühlung MOT

2. Wechselwirkung mit Atomen 2.1. Photon-Atom Wechselwirkung 2.1.1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.1.2. Winkel- und Energieverteilungen 2.1.3. Doppelanregung, Interferenzeffekte 2.1.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und

Winkelverteilungen 2.1.5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.2. Atome in starken Laserfeldern 2.2.1. Multiphotonenionisation 2.2.2. Tunnelionisation 2.2.3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,

hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 2.2.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 2.3. Ion-Atom Stöße 2.3.1. Elektronentransfer 2.3.2. Ionisation 2.3.3. Mehrelektronenprozesse

Einschub:Woher kommen Photonen?

Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)

Übergänge in Atomen/Molekülen/FestkörpernSpontane EmissionInduzierte Emission (Laser)höhere Harmonische

KernübergängeVernichtungsstrahlung

Schwarzkörperstrahlung

BremsstrahlungRöntgenröhreSynchrotronFEL

Plancksches Strahlungsgesetz

Rayleigh, Jeans Strahlungsgesetzt

Planck: fitted die Kurve Später Ableitung

ehv verhindert dieUV Katastrophe

Thermisch besetzter Oszillator1/2kT kinetisch 1/2kT potentiell

Harmonische Oszillatoren(schwingende Ladungen)

Thermisches GleichgewichtZwischen Absorbtion und Emission

Plancks Annahme: harmonischer Oszillator kann nicht kontinuierlich absorbieren, sonder nur E= nh diskret

Fitkonstante h=Plancksches Wirkungsquantum=6.626 10-34Js

Ene

rgie

Klassisch: kontinuierlich

Planck:Diskret, Abstand h

Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)

Übergänge in Atomen/Molekülen/FestkörpernSpontane EmissionInduzierte Emission (Laser)

KernübergängeVernichtungsstrahlung

Schwarzkörperstrahlung

Bremsstrahlung

RöntgenröhreSynchrotronFEL

Röntgenstrahlung

W.C. Röntgen 8.November 1895 X-Strahlen

Hand von Frau Röntgen 22.Dez.1895http://www.deutsches-museum.de/ausstell/meister/roent.htm

Elektronen

Röntgenstrahlung

Wechselwirkung der Elektronen

99% Wärme1% Strahlung

Bremsstrahlung

Charakteristische Linien

22.3. Charakteristische Röntgensrahlung

Elektron

Elektronen

CharakteristischeRöntgenstrahlung

Charakteristische Röntgenstrahlung

Elektron

Elektronen

Charakteristische Röntgenstrahlung

Röntgenstpektrum freierXe Atome 12keV Elektronen

12keV

Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)

Übergänge in Atomen/Molekülen/FestkörpernSpontane EmissionInduzierte Emission (Laser)

KernübergängeVernichtungsstrahlung

Schwarzkörperstrahlung

BremsstrahlungRöntgenröhre

SynchrotronFEL

Nichtrelativistisch:Dipolemission

Relativistisch:Vorwärtsbündelung

Beschleunigte Ladung

Beispiel:E=800MeV = 0.64mrad

Nachsehen

Eigenschaften des Photons

•Energie: E = h •Impuls p=h/c•Masse m=E/c2 = h /c2

•Ruhemasse m0=0•Drehimpuls sph=h

zirkularpolarisiertes Licht

Photonendrehimpuls +- h

linear polarisiertes Licht

Drehimpuls gleichwahrscheinlichin oder gegen Ausbreitungsrichtung

Polarisation von Synchrotronstrahlung:

Hasylab Hamburg

ASTRID Aarhus

Bending Flux

1E+12

1E+13

1E+14

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Energy [keV]

Ph

oto

ns

/ s

ec

on

d

Wh.-Book Gr.-Book

Flux of the synchrotron radiation from the bending magnets: Version SES_1_1: Green book, 1GeV, 1.87 Tesla, 400 mA; version SES_4_2: 2GeV, 1.35 Tesla, 400 mA

Radiation CharacteristicsMachine

E Critical

800eV at 1.5 GeV11keV at 4 GeV

1GeV

2 GeV

Bending magnet: weisses LichtWiggler: Weisses Licht, n*bending magnetUndulator: Monochromatisches Licht,

Koherente Addition des Lichtes eines jeden Elektrons

                                                                     

                                                                                       

                                      

High brightness

Freie Elektronenlaser

FEL

Laser für Röntgenstrahlung

(Warum gibt es keine normalen Laser für Röntgenstrahlung?)

Bunching of the electrons creates coherent laser light

Keine Spiegel für Röntgenstrahlung!

Geht auch ohne Spiegel:langer Undulator

SASESelf Amplification of Spontanious Emission

Bending magnet: weisses LichtWiggler: Weisses Licht, n*bending magnetUndulator: Monochromatisches Licht,

Koherente Addition des Lichtes eines jeden ElektronsFEL: Koheränz zwischen den einzelnen Elektronen

„Free electron“ light sources

Dipole magnetSynchrotron radiation

Undulator

Wiggler

FEL

spatially coherent

1=u/22(1+K2/2)

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10y = E/Ec

0.001

0.01

0.1

1

10

100

Inte

ns

ity

(a

rb. u

nit

s)

Wiggler

Dipole

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10y = E/Ec

0.001

0.01

0.1

1

10

100

Inte

ns

ity

(a

rb. u

nit

s)

Wiggler

Dipole

1014

1012

1010

108

106

104

Inte

nsity

1041021009896

Photon energy (eV)

Typical pulse energy:

~1 mJ~ Ne

~ Ne2

Angle-integrated flux

VUV-FEL

FEL essentials

make use of

• high peak intensity• short pulse duration

1013

Photonen

109 Photonen

FEL

Undulator (x 10 )6

100 ps

100 fs

Photons

Photons

time

Improved beam properties by seeding

Spectrum before - after seeding

funded by the Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft of German Research Centers (HGF), in collaboration with GKSS, Geesthacht, and ISA, Arhus

Self-seeding

1012 Photonen in100 fsec

Erste SASE Emission des TESLA FEL, Hamburg, Jan 2000

TESLA Test Facility(TTF 1, 1995-2002)

FLASH

experimental hall

Commissioning: 2004

User experiments: 2005

FLASH User Facility at DESY

Photon energy ~20-200 eV Bandwidth /~0.5 %Peak power >1 GWPulse duration 100 fsPulses per second up to 72000

Multi-Photon Multi-Electron Processes in Atoms & Molecules

Project leader: J. Ullrich, MPI Heidelberg; with Univ. Frankfurt, Fritz-Haber Institut Berlin, Univ. Hamburg

Spectrometer: ion-electron coincidenceeV resolution for ions meV for electrons

Reaction-Microscope

supersonic gas jetatoms, molecules

FELFEL

drift

Detectorposition-sensitive multi-hit

Helmholtz coil

E-field

• ultra high vacuum: p < 10-11 mbar• cold target : T < 1 Kelvin• multi-hit detectors: = 12 cm, t ~ 10 ns

ion detector

gas jet

electron det.

FEL

Ziele: z.B. Röntgenbeugung an Einzelmolekülen

1012 Photonen in100 fsec