Laserpulse beschleunigen neutrale Atome unerwartet stark

Heliumatome werden von der ponderomotorischen Kraft mitgerissen, die auf ihre Elektronen wirkt.

Im Gegensatz zu geladenen Teilchen verspüren ungeladene Atome auch in starken elektrischen Feldern normalerweise nur sehr schwache Kräfte. Die auf den positiv geladenen Atomkern und die negativ geladenen Elektronen wirkenden Coulomb-Kräfte sind einander entgegen gerichtet und heben sich nahezu auf. Aufgrund seiner Polarisation in einem inhomogenen Feld kann auf das Atom eine – allerdings nur schwache – Dipolkraft wirken. Doch jetzt haben Forscher vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin entdeckt, dass neutrale Atome in einem starken Laserfeld enorme Beschleunigungen erfahren können. Sie werden von der ponderomotorischen Kraft verursacht, die auf die Elektronen des Atoms wirkt.

Eine elektrische Ladung, die einem räumlich homogenen oszillierenden elektrischen Feld ausgesetzt ist, schwingt mit der Feldfrequenz ω um ihre Ruhelage. Ist das Feld hingegen inhomogen, so verändert sich die „Ruhelage“ und die Ladung kommt beschleunigt voran. Auf die Ladung q mit der Masse m wirkt dabei eine ponderomotorische Kraft, die proportional zum räumlichen Gradienten der quadrierten Feldamplitude ist: F = – q²/(4 m ω²) grad E₀(x)². Befindet sich ein Atom in einem starken inhomogenen Laserfeld, so wirken auf den Kern und die Elektronen ebenfalls ponderomotorische Kräfte. Damit diese eine merkliche Wirkung entfalten können, muss die Feldamplitude so groß sein, dass das Atom möglicherweise ionisiert wird. In diesem Fall würde das positiv geladene Ion wegen seiner großen Masse nur eine relativ kleine Beschleunigung erfahren.

Wolfgang Sandner und seine Kollegen am MBI hatten jedoch 2008 beobachtet, dass überraschend viele Atome, die einem kurzen und intensiven Laserpuls ausgesetzt worden waren, von diesem nicht ionisiert wurden sondern ihn in hoch angeregten Zuständen überdauerten. Zunächst hatte das elektrische Feld des Laserpulses es den äußeren Elektronen ermöglicht, sich durch einen Tunnelprozess vom Atom loszureißen. Die freigesetzten Elektronen wurden von der ponderomotorischen Kraft beschleunigt, doch nach Abklingen des Laserpulses wurden sie wieder vom Ion eingefangen. Die Energie und den Impuls, die die Elektronen durch Einwirkung der ponderomotorischen Kraft aufgenommen hatten, gaben sie schließlich an das Atom ab. Demnach war es also möglich, dass die starke, auf die Elektronen wirkende ponderomotorische Kraft das ganze Atom beschleunigen konnte.

Ulrich Eichmann, Wolfgang Sandner und ihre Mitarbeiter haben diese indirekte ponderomotorische Beschleunigung neutraler Atome jetzt experimentell nachgewiesen und dabei verblüffend große Werte gemessen. In ihrem Experiment haben die Forscher neutrale Heliumatome, die sich in einem Strahl bewegten, mit einem gepulsten und fokussierten Laserstrahl angeregt, der senkrecht zum Atomstrahl stand. Nach einer Flugstrecke von 38 cm trafen die Atome auf einen Mikrokanalplattendetektor. Mit diesem Detektor ließ sich beobachten, wie die angeregten aber nicht ionisierten Atome quer zur Atomstrahlrichtung abgelenkt worden waren. Das vom Detektor sichtbar gemachte Strahlprofil zeigte, dass die Atome etwa 1 cm weit in der Richtung vorangekommen waren, die senkrecht zu der Ebene stand, die der Atom- und der Laserstrahl aufspannten. Dabei hatten die Atome Geschwindigkeiten von bis zu 60 m/s erreicht.

Die Forscher schließen daraus, dass die ungeladenen Atome im inhomogenen elektrischen Feld der femtosekundenlangen Laserpulse Beschleunigungen erfahren hatten, die das 10¹⁴-fache der Erdbeschleunigung g erreichten. Detaillierte Berechnungen haben bestätigt, dass für diese Beschleunigungen tatsächlich die ponderomotorische Kraft verantwortlich war, die auf die Elektronen im Laserfeld wirkte. Demnach ist es möglich, ungeladenen Atomen gleichzeitig den Impuls Tausender Photonen zu übertragen, ohne dass es dabei Probleme mit der durch den Doppler-Effekt verursachten Frequenzverstimmung gibt. Durch geeignete Formung der Laserpulse lassen sich möglicherweise sogar noch wesentlich höhere Beschleunigungen erreichen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  U. Eichmann et al.: Acceleration of neutral atoms in strong short-pulse laser fields. Nature 461, 1261 (2009)
  dx.doi.org/10.1038/nature08481
• Wolfgang Sandner am Max-Born-Institut in Berlin:
  staff.mbi-berlin.de/sandner/
• Ulrich Eichmann am Max-Born-Institut in Berlin:
  staff.mbi-berlin.de/eichmann/

 AL