Extrem kurzwellige UV-Strahlung aus dünnen dielektrischen Schichten

Die nichtlineare Optik und ihre Anwendungen in der Lasertechnik, der Telekommunikation und der Medizin basiert auf der Umwandlung von Licht einer Frequenz in Licht einer anderen Frequenz. Solche Prozesse werden durch die Wechselwirkung von intensiver Laserstrahlung mit Materie ausgelöst. Sie erlauben es, laserähnliche Strahlung bei Frequenzen zu erzeugen, die nicht direkt zugänglich sind.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten wird Strahlung im EUV- und Röntgen-Bereich erzeugt, indem die Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen in der Gasphase mit intensivem Laserlicht gesteuert wird. „In festen Stoffen – und diese bilden die Grundlage für moderne photonische Anwendungen – stellt sich die Situation schwieriger dar“, betont Eleftherios Goulielmakis vom MPI für Quantenoptik in Garching. Denn Festkörper nehmen gewöhnlich Schaden, wenn sie intensiver Strahlung ausgesetzt sind. Und was noch gravierender ist: Die schnell vibrierenden Atome im Festkörper stoßen immer wieder ungeordnet mit den lasergetriebenen Elektronen zusammen. Dies verhindert die Erzeugung kohärenter, laserähnlicher Strahlung. Diese Hürde konnten die Wissenschaftler jetzt umgehen, indem sie extrem kurze Laserpulse mit einer Dauer von weniger als zwei Femtosekunden – die also gerade mal eine Feldschwingung enthalten – verwendeten. „So kurze Laserpulse kann der Film aushalten, denn innerhalb dieser kurzen Zeitspanne werden die Atome kaum von dem Laserlicht aus der Ruhe gebracht“, sagt Team-Mitglied Tran Trung Luu. „Deshalb gelang es, extrem kurzwellige UV-Strahlung in dem Film zu erzeugen.“

Doch die Wissenschaftler begnügten sich nicht mit diesem Resultat. „Um mehr Informationen über die Struktur des Festkörpers, genauer gesagt, die Energiedispersion im Leitungsband, zu erhalten, untersuchten wir die Charakteristik der emittierten Strahlung im Detail“, erklärt Goulielmakis. „Das war bislang mit herkömmlicher Festkörperspektroskopie nicht möglich.“ Unter dem Einfluss der optischen Felder gelangen die Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband, in dem sie vom Laserfeld beschleunigt werden. Bei ihrer Bewegung durch den Kristall spüren die Elektronen die sie umgebende Struktur, und diese Information ist in der emittierten Strahlung enthalten.

Aber wie schnell schwingen die Elektronen, um die EUV-Strahlung zu erzeugen? Dies erschließt die Frequenz der ausgesandten Strahlung, wenn man geeignete theoretische Modelle verwendet. „Wir haben starke Anzeichen dafür, dass die Laserpulse die Elektronen zwingen, in dem periodischen Kristallpotential extrem schnelle Schwingungen von mehreren 10 Petahertz auszuführen“, erklärt Goulielmakis. „Es handelt sich dabei um die schnellsten, jemals in einem Festkörper erzeugten elektrischen Ströme, und die Untersuchung der ausgesandten Strahlung erlaubt es uns, in die Dynamik dieser extrem schnellen Bewegung hinein zu blicken.“ Indem sie die Form und Dauer der Lichtpulse variierten, konnten die Wissenschaftler darüber hinaus diese ultraschnellen elektrischen Ströme gezielt beeinflussen. Die Arbeit zeigt damit neue Wege auf, lichtbasierte Elektronik bei Multi-Petahertz-Frequenzen zu realisieren.

MPQ / RK