03.10.2023

Die kürzesten Momente einfangen

Pierre Agostini, Ferenc Krausz und Anne L’Huillier erhalten den Physik-Nobelpreis für ihre bahnbrechenden Beiträge zur Attosekundenphysik.

Kerstin Sonnabend

Um die Dynamik von Elektronen in Materie zu untersuchen, braucht es ultrakurze Lichtpulse, weil die Prozesse auf der Attosekundenskala stattfinden, also innerhalb von 10–18 Sekunden. Pierre Agostini, Ferenc Krausz and Anne L’Huillier haben gezeigt, wie sich diese ultrakurzen Lichtpulse erzeugen lassen und wie sich damit die schnellen Prozesse messen lassen, die dem Verhalten von Elektronen in Materie zugrundeliegen. „Für die experimentellen Methoden, die Attosekunden-Lichtpulse erzeugen, um die Dynamik von Elektronen in Materie zu untersuchen“ wird das Trio in diesem Jahr zu gleichen Teilen mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.

Anne L’Huillier, Ferenc Krausz und Pierre Agostini erhalten zu gleichen...
Anne L’Huillier, Ferenc Krausz und Pierre Agostini erhalten zu gleichen Teilen den Physik-Nobelpreis 2023.
Quelle: Bengt Oberger / MPI für Quantenoptik / Ohio State University

Bereits 1987 hat Anne L’Huillier entdeckt, dass sich zahlreiche Harmonische bzw. Oberschwingungen entwickeln, wenn infrarotes Laserlicht ein Edelgas durchquert. Ihre weiteren Untersuchungen des Phänomens trugen zum theoretischen Verständnis bei und leiteten den darauffolgenden experimentellen Durchbruch ein.

Der Infrarot-Laserpuls verändert das elektrische Feld des Atoms so, dass ein...
Der Infrarot-Laserpuls verändert das elektrische Feld des Atoms so, dass ein gebundenes Elektron die durch die Barriere tunneln kann. Das Licht zwingt das nun freie Elektron zurück zum Atom. Um dort wieder zu binden, gibt das Elektron Energie in Form von ultravioletter Strahlung ab.
Quelle: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Die 1958 in Paris geborene Physikerin forscht und lehrt derzeit als Professorin für Atomphysik an der schwedischen Lund University. Nachdem sie im Studium einen Schwerpunkt auf theoretische Physik gelegt hatte, begann sie sich mit der Promotion am französischen Kernforschungszentrum des CEA in Saclay in die experimentelle Atomphysik einzuarbeiten. Ihre Dissertation an der Université Pierre et Marie Curie (UPMC) behandelt die Vielfach-Ionisation in Laserfeldern hoher Intensität. Als festangestellte Wissenschaftlerin in Saclay forschte sie zeitweise auch am Chalmers Institute of Technology im schwedischen Göteborg, an der University of Southern California in Los Angeles und am Lawrence Livermore National Laboratory nahe San Francisco. 1995 folgte der Wechsel nach Schweden an die Lund University.

Basierend auf L’Huilliers Ergebnissen entwickelten Pierre Agostini und Ferenc Krausz zwei unterschiedliche Methoden, um damit Attosekundenpulse zu erzeugen. Beide sind noch heute in weiter entwickelter Form in Gebrauch, je nach dem Fokus der Anwendung. Agostini gelang es, eine Reihe aufeinanderfolgender Lichtpulse zu erzeugen, indem er das Laserlicht mit einem leicht verzögerten Anteil überlagerte; damit erreichte er Pulsdauern von etwa 250 Attosekunden. Krausz sortierte dagegen einzelne Lichtpulse aus; so gelang es, Pulsdauern von 650 Attosekunden zu erzeugen.

Unter den richtigen Bedingungen überlagert sich die ultraviolette Strahlung...
Unter den richtigen Bedingungen überlagert sich die ultraviolette Strahlung so, dass kurze und intensive Lichtpulse entstehen, deren Pulsdauer im Bereich von Attosekunden liegt.
Quelle: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Pierre Agostini wurde er 1941 in Tunis geboren, der heutigen Hauptstadt von Tunesien, damals ein Protektorat Frankreichs. Er hat an der Université d’Aix-Marseille in Frankreich promoviert, nachdem er dort auch Physik studiert hatte. Danach arbeitete er für das Commissariat à l’Energie Atomique in Saclay. Heute ist er Professor Emeritus an der Ohio State University.

Der 1962 im ungarischen Mór geborene Ferenc Krausz studierte in Budapest Physik und promovierte 1991 an der Technischen Universität Wien in Österreich. Nach der Habilitation war er dort bis 2004 als Professor tätig, bevor er als Direktor an das Max-Planck-Institut für Quantenoptik nach Garching wechselte, verbunden mit einer Professur an der LMU München. Krausz ist Mitglied der DPG und hat im Laufe seiner wissenschaftlichen Karriere zahlreiche Auszeichnungen erhalten, beispielsweise 2006 den Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der DFG, 2013 den Otto-Hahn-Preis von GDCh, DPG und der Stadt Frankfurt am Main sowie 2022 den Wolf-Preis in Physik zusammen mit Anne L’Huillier und Paul Corkum.

Mit den Attosekundenpulsen war es zum Beispiel möglich zu beobachten, wie sich ein Elektron von seinem Atom löst und dass die Zeit dafür davon abhängt, wie stark das Elektron gebunden ist. Außerdem lässt sich rekonstruieren, wie die Elektronenverteilung in Molekülen oszilliert. Typische Anwendungen der Attosekundenphysik finden sich in der Elektronik, wenn das Verständnis und die Kontrolle des Verhaltens von Elektronen in Materialien nötig sind. Die Gruppe von Ferenc Krausz hat sich in jüngster Zeit auch Anwendungen in Biologie und medizinischer Diagnose zugewandt. 

Die Verleihung des Nobelpreises findet traditionell am Todestag Alfred Nobels, dem 10. Dezember, in Stockholm statt. 

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