Ein Kreisel aus Licht

Extrem kurze Pulse zirkular polarisierter Lichtwellen eignen sich hervor­ragend, um Materi­alien zu unter­suchen. Mit heutigen Methoden lassen sich solche Pulse zwar her­stellen. Noch sind die Methoden aber an der Grenze des tech­nisch Mach­baren und die produ­zierten Licht­pulse zeigen nicht immer die erwünsch­ten Eigen­schaften. Ein neues Ver­fahren ermög­licht es, solche Licht­pulse mit großer Präzi­sion zu charak­teri­sieren.

Die interessanten Prozesse in Materie, die man durch Bestrah­lung mit Licht­pulsen unter­suchen will, sind außer­ordent­lich kurz. Dem­ent­spre­chend kurz, im Bereich von etwa hundert Atto­sekunden, müssen daher auch die Licht­pulse sein. In diesem Zeit­raum voll­führt eine Licht­welle nur wenige Drehungen. Wenn man solche ultra­kurzen Pulse mit neu­artigen Laser­ver­fahren her­stellt, kann es pas­sieren, dass die Licht­wellen nicht richtig rotieren.

Die Idee hinter dem neuen Verfahren: Man bestrahlt einen Körper mit einem extrem kurzen, hoch­energe­tischen und zirkular polari­sierten Licht­puls, wobei dieser Puls absor­biert wird und ein Elektron aus dem Körper heraus­schlägt. Dieses Elektron trägt dann einer­seits Infor­ma­tionen über die Licht­welle in sich und kann anderer­seits Auf­schluss über die Eigen­schaften des unter­suchten Körpers geben. Da die Licht­pulse zirkular polari­siert sind, voll­führen auch die heraus­ge­schla­genen Elek­tronen Drehungen.

„Man kann die herausgeschlagenen Elektronen mit einem einarmigen Sprinkler ver­gleichen, der sich ent­weder dreht wie gewünscht oder immer wieder ins Stottern kommt und sogar seine Dreh­rich­tung ändert“, sagt Misha Ivanov vom Max-Born-Institut für nicht­lineare Optik und Kurz­zeit­spektro­skopie. Wenn der Sprinkler aber eine Weile läuft, macht er den Rasen um ihn kreis­förmig nass – unab­hängig davon, ob er gleich­mäßig rotiert oder nicht. Um heraus­zu­finden, ob sich der Sprinkler exakt in die gewünschte Rich­tung dreht, reicht es also nicht aus, ein­fach den Rasen zu betrachten. „Wenn aber zusätz­lich ein böiger Wind weht, können wir unter­scheiden, ob sich der Sprinkler gleich­mäßig oder unregel­mäßig dreht“, so Ivanov. Wenn etwa jedes Mal abwech­selnd ein Wind­toß von links oder rechts erfolgt, wenn sich der Arm des Sprinklers links oder rechts befindet, dann wird der Rasen nicht kreis­förmig nass, sondern eine diago­nale Ellipse auf­weisen. Ein völlig irregulär rotie­render Sprinkler würde eine in die Wind­rich­tung aus­ge­rich­tete Ellipse auf den Rasen zaubern, während ein regulär rotie­render Sprinkler eine schiefe Ellipse zeigen würde.

Als Wind dient den Forschern dabei ein Infrarot-Laserpuls, dessen Schwin­gungen genau mit den ultra­kurzen Pulsen synchro­ni­siert sind. Die Infrarot-Strahlung beschleunigt das Elektron entweder nach links oder rechts – genau wie der Wind die Wasser­tropfen. „Mit einer Messung an den Elek­tronen können wir dann nach­weisen, ob der Licht­puls die gewünschte gleich­mäßige Rota­tion besessen hat oder nicht“, sagt Álvaro Jiménez-Galán vom Max-Born-Institut für nicht­lineare Optik und Kurz­zeit­spektro­skopie. „Mit unserer Methode ist es mög­lich, die Eigen­schaften der ultra­kurzen Licht­pulse mit bis­lang nicht erreichter Präzi­sion zu ermitteln.“ Und wenn die Licht­pulse erst einmal scharf bestimmt sind, lässt sich umso genauer die Infor­ma­tion des Elektrons über seinen Herkunfts­ort im Innern exo­tischer Materi­alien heraus­lesen.

Das ist insbesondere zur Untersuchung an einer ganzen Reihe neu­artiger Materi­alien von Bedeutung. Dazu zählen Supra­leiter und topo­lo­gische Materi­alien. Diese Materi­alien könnten in einem Quanten­computer zum Einsatz kommen oder besonders schnelle und energie­effi­ziente Pro­zes­soren und Speicher­chips in normalen Computern und Smart­phones möglich machen. Das neue Sprinkler-Ver­fahren exis­tiert zwar vorerst nur in der Theorie, sollte sich aber schon in naher Zukunft um­setzen lassen. „Unsere Vor­gaben ent­sprechen dem heutigen Stand der Technik, des­halb steht einer baldigen Reali­sie­rung im Labor nichts ent­gegen“, meint Ivanov.

FV Berlin / RK