Ponderomotorische Beschleunigung in ultrakurzen Laserpulsen

Trifft ein intensiver Laserpuls auf ein ruhendes Elektron, vollführt es eine Zitterbewegung mit der Frequenz des Lichtfeldes. Diese Bewegung klingt allerdings nach dem Puls wieder ab und das Elektron kommt am Ursprungsort erneut zur Ruhe. Verändert das Lichtfeld entlang der Flugbahn des Elektrons jedoch seine Stärke, baut das Elektron mit jeder Schwingung eine zusätzliche Driftbewegung auf, die es auch nach dem Puls beibehält. Die räumliche Lichtintensität wirkt dabei wie ein Berg, den das Elektron hinabrutscht.

Aufgrund der selbst in fokussierten Lichtstrahlen geringen Ortsabhängigkeit der Intensität ist diese ponderomotorische Beschleunigung jedoch nur für lang andauernde Laserpulse mit vielen Schwingungen des Feldes deutlich zu beobachten. Nun ist es gelungen, einen ausgeprägten Effekt während nur einer einzigen Lichtschwingung nachzuweisen. Der entscheidende Trick war die Verwendung scharfer metallischer Nadelspitzen, die bei Beleuchtung mit Laserlicht eine extrem stark räumlich veränderliche Lichtintensität aufweisen.

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Photoeffekt in starken Feldern

In Experimenten konnten die durch das Licht freige­setzten Elektronen so erstmals den einzelnen Zyklen des Licht­felds zuge­ordnet werden. Hierfür wurden in den Laboren der Arbeits­gruppe um Peter Hommelhoff am Lehrstuhl für Laser­physik der FAU mit einem speziellen Ver­fahren Wolfram-Nadeln mit beson­ders scharfen, nur wenige Nano­meter kleinen Spitzen herge­stellt und mit optischen Laser­pulsen mit nur etwa drei Feld­schwingungen beleuchtet.

„Typischerweise interes­sieren wir uns besonders für die aus den Nanospitzen freige­setzten schnellen Elektronen, die wir präzise mit der Wellen­form des Licht­pulses steuern können“, erklärt Jonas Heimerl, wissen­schaft­licher Mitar­beiter am Lehr­stuhl für Laser­physik. „Für diese ist bekannt, dass die pondero­motorische Bewegung für scharfe Spitzen komplett unter­drückt wird. Über­raschender­weise haben wir nun ausge­rechnet im Signal der lang­samen Elek­tronen eine bislang unbe­kannte und ausge­prägte Streifen­struktur entdeckt. Unsere Experi­mente haben für die langsamen Elektronen sogar eine Verstärkung der pondero­motorischen Effekte aufgedeckt“

Für den Vergleich mit den experimen­tellen Daten führte die Arbeits­gruppe um Prof. Dr. Thomas Fennel von der Univer­sität Rostock umfassende numerische Simula­tionen durch, die den pondero­motorischen Beschleu­nigungs­effekt in einer einzelnen Licht­schwingung quantitativ beschreiben und die weit­reichenden Implika­tionen für die Charakteri­sierung und Steuerung ultra­schneller Elektronen­dynamik belegen.

„Ponderomotorische Beschleu­nigung wird üblicher­weise als ein über viele Licht­schwingungen gemit­telter Effekt beschrieben. Ein faszinie­render Aspekt unserer Erkennt­nisse ist, dass dieser nun genutzt werden kann, um Prozesse auf der Zeitskala eines Bruch­teils einer Licht­schwingung zu vermessen“, erklärt Anne Herzig, Dokto­randin in der Gruppe von Thomas Fennel.

„Obwohl die grund­legende Physik der nahfeld­induzierten Streifen­strukturen prinzipiell mit klassi­scher Mechanik erklärt werden kann, eröffnen sie einen neuen Zugang zur Charakte­risierung der Quanteneffekte des Emissions­prozesses“, ergänzt Anne Herzig. Die gewon­nenen Erkennt­nisse konnten nur durch das exzellente Zusammen­spiel von Experiment und Theorie erzielt werden und haben das Potential, das funda­men­tale Verständ­nis der Photo­emission zu erweitern und neue Anwendungen in der ultra­schnellen Metro­logie und Opto­elektronik zu ermög­lichen. [FAU / dre]