18.11.2025 • Plasma

Plasma-Linsen für ultraschnelle Experimente

Ein Forscherteam vom Max-Born-Institut und von DESY hat einen Weg gefunden, Attosekundenpulse bei hoher Leistung zu fokussieren.

Attosekundenpulse sind unverzichtbare Werkzeuge, um die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern zu beobachten und zu steuern. Das Fokussieren dieser Lichtblitze, die nur Milliardstel von Milliardsteln einer Sekunde dauern und im Bereich des extremen Ultravioletts (XUV) oder der Röntgenstrahlung liegen, ist jedoch als äußerst schwierig, da geeignete optische Komponenten fehlten. Spiegel werden häufig eingesetzt, bieten aber nur eine geringe Reflexion und verschleißen schnell. Linsen sind zwar das Werkzeug der Wahl zum Fokussieren von sichtbarem Licht, eignen sich jedoch nicht für Attosekundenpulse, da sie starke Absorption und Dispersion aufweisen. Die Forscher am MBI und DESY haben dieses Problem gelöst, indem sie eine Plasmalinse erzeugt haben.

Der Saphirblock mit mit Plasma gefüllten Kanälen fungiert als Linse für Attosekunden-Lichtpulse.

(a) Ein Attosekundenpuls tritt in eine Kapillare ein, in der ein starkes elektrisches Feld ein Wasserstoffplasma erzeugt. Da sich die Elektronen zu den Kapillarrändern bewegen, entsteht eine konkave Linse, die den Attosekundenpuls fokussiert. (b) Fokussierung der Attosekundenpulse durch das Plasma.

Dazu schicken sie starke elektrische Pulse durch Wasserstoffgas in einem winzigen Röhrchen. Dieser Prozess entfernt die Elektronen aus den Wasserstoffatomen und erzeugte ein Plasma. Die Elektronen bewegten sich dabei von selbst nach außen zu den Rändern des Röhrchens, wodurch das Plasma die Form einer konkaven Linse annimmt. Normalerweise würde eine solche Linse Licht zerstreuen, anstatt es zu bündeln. Da Plasma Licht jedoch anders bricht als gewöhnliche Materialien, werden die Attosekundenpulse stattdessen fokussiert.

Wie die Forschenden in ihrer Arbeit zeigen, lassen sich so Attosekundenpulse über verschiedene XUV-Bereiche fokussieren. Dabei ist die Brennweite abstimmbar, indem die Plasmadichte geändert wird. Außerdem erreichten sie eine hohe Transmission von über achtzig Prozent. Besonders wichtig ist, dass die Plasmalinse gleichzeitig als wirksamer Filter für die infraroten Treiberpulse dient, für die sonst dünne Metallfilter nötig sind. Dadurch werden diese Filter überflüssig und es kann mehr Attosekundenleistung genutzt werden. Mit den stärkeren Pulsen stehen Wissenschaftlern nun neue Möglichkeiten für Experimente offen, die bisher oft durch schwache Lichtquellen eingeschränkt waren.

Um besser zu verstehen, wie sich die fokussierten Attosekundenpulse zeitlich verhalten, führten die Forscher Computersimulationen durch. Sie stellten fest, dass sich die Pulse nur leicht verlängerten, nämlich von 90 auf 96 Attosekunden. Unter realistischeren Bedingungen, wenn verschiedene Farben des Pulses leicht zeitversetzt eintreffen – ein Phänomen, das als Chirp bekannt ist – verkürzte die Plasmalinse die Pulse sogar: Die Dauer verringerte sich von 189 auf 165 Attosekunden.

Mit dem experimentellen Nachweis einer Plasmalinse für Attosekundenpulse haben die Forscher eine wesentliche Einschränkung der Attosekundenwissenschaft überwunden. Die Methode ermöglicht einfache Justierung, hohe Transmission und die Fähigkeit, Licht über verschiedene Farben hinweg zu fokussieren. Diese Vorteile eröffnen ein breites Spektrum an Anwendungen – von der Abbildung der Elektronendynamik in komplexen Materialien bis hin zur Weiterentwicklung der Quantentechnologien und der nächsten Generation der ultraschnellen Mikroskopie. [MBI / DESY / dre]

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