Licht im Mixer
Münchener Physiker erzeugen weiße Laserpulse und modellieren deren elektromagnetische Felder erstmals auf der Subzyklus-Zeitskala.
Im Mikrokosmos bewegen sich Elektronen mit atemberaubenden Geschwindigkeiten und auf die Teilchen wirken zudem enorme Kräfte. Um Elektronen zu beobachten, sind ultrakurze Lichtpulse nötig, um sie gar zu kontrollieren, müssen die Forscher zudem die Pulsstruktur manipulieren. Genau dies ist jetzt erstmals einem Team von Physikern um Eleftherios Goulielmakis und Ferenc Krausz vom Labor für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) in Garching gelungen. Beteiligt an dem Projekt waren Wissenschaftler vom Center for Free-Electron Laser Science am Desy in Hamburg und der König-Saud-Universität in Riad.
Abb.: Ein Lichtwellensynthetisator spaltet einfallendes weißes Laserlicht in drei Farbkanäle auf und modifiziert es anschließend. Das Zusammensetzen erzeugt Laserpulse mit komplexen, aber fein justierbaren Wellenverläufen. (Bild: T. Naeser, MPQ)
Die Wissenschaftler haben dazu in die Wellenform weißer Laserpulse kleinste Abweichungen des typischen Schwingungsverhaltens eingebaut. Dabei verkürzten sie unter anderem die Dauer der Pulse soweit, dass sie aus weniger als einer kompletten Schwingung bestehen. Damit haben die Wissenschaftler erstmals isolierte Subzykluspulse im sichtbaren Spektrum des Lichts erzeugt. Die Technik verspricht eine präzise Steuerung von Elektronenbewegungen. Auch die Beobachtung inneratomarer Mechanismen wird mit dem neuen Werkzeug genauer, da sie eine zeitlich exakte Anregung der Prozesse erlaubt.
Bewegungen von Elektronen gehen innerhalb von Attosekunden über die Bühne. Aufgrund der schnellen Schwingung seines elektromagnetischen Feldes wirkt Licht wie eine Art Pinzette auf Elektronen und deren Bewegung und beeinflusst so das gegenseitige Zusammenspiel. Die Schwingungsdauer von Licht moderner Laserquellen beläuft sich auf rund 2,6 Femtosekunden, sein Feld muss deshalb auf der Zeitskala eines Subzyklus kontrolliert werden. Nun ist es dem internationalen Team am MPQ gelungen, diesem hochgesteckten Ziel einen Schritt näher zu kommen.
Dazu verwendeten die Physiker weißes Laserlicht mit Anteilen vom nahen UV über den sichtbaren bis hin zum nahen Infrarot. Sie erzeugten erstmals diese Lichtpulse und sendeten sie anschließend in einen neu entwickelten Lichtfeldsynthetisator. Der Apparat spaltet erst das einfallende weiße Laserlicht in einen roten, gelben und blauen Farbanteil auf. Anschließend setzen die Wissenschaftler die einzelnen farbigen Bestandteile des Lichts wieder nach Belieben zusammen.
Mit dieser Technik ist es den Wissenschaftlern gelungen, völlig neue Wellenverläufe in den einzelnen Pulsen zu generieren. Zudem haben sie die mit 2,1 Femtosekunden Dauer bis heute kürzesten Pulse im sichtbaren Bereich des Lichts erzeugt. Diese sind intensiver als bisherige Femtosekunden-Lichtpulse im sichtbaren Spektrum, denn nun ballt sich die gesamte Energie des elektromagnetischen Feldes in einem kleinen zeitlichen Fenster.
Damit sind die Wissenschaftler der Kontrolle des Mikrokosmos einen großen Schritt näher gekommen und haben die neue Technik bereits angewandt: Sie schossen die Lichtpulse auf Kryptonatome. Die Lichtpulse schlugen aus den Atomen das äußerste Elektron in weniger als 700 Attosekunden heraus. Dies ist der schnellste elektronische Vorgang, der bis heute mit sichtbarem Licht gelang. Ähnliche Prozesse lassen sich bestimmt auch in komplexeren Strukturen wie Molekülen, Festkörpern oder Nanopartikeln erzielen. Das Team von Goulielmakis erkundet derzeit die Prinzipien der elektronischen Steuerung in diesen extremen Bereichen.
T. Naeser, MPQ / OD
