Stabile Lichtfelder erlauben Experimente zur Kontrolle einzelner Elektronen

Das elektrische Feld von Licht präzise zu kontrollieren, um damit wiederum die Bewegung einzelner Elektronen in Experimenten kontrollieren zu können: Das ist eine Herausforderung, an der Forschende am Institut für Physik der Universität Oldenburg arbeiten und bei der ein Team der Forschungsgruppe Attosekundenmikroskopie um Jan Vogelsang nun einen entscheidenden Schritt weitergekommen ist. Die Forschenden stellen in einem Fachartikel ein selbst entwickeltes Lasersystem vor, das 200.000 Lichtpulse pro Sekunde erzeugt.

Die Olden­burger Dok­to­ran­din Katrin Meier vor dem Laser­sys­tem, das in der Ar­beit de­tail­liert be­schrie­ben wird

Quelle: U Oldenburg / Marcus Windus

Bei der detaillierten Charakterisierung des Lasersystems haben insgesamt sechs Oldenburger Forschende mit Mitgliedern der Forschungsgruppe von Nobelpreisträgerin Anne L’Huillier an der Universität Lund zusammengearbeitet. Dabei erwies sich die genaue Lage der Lichtwelle – es geht um fürs menschliche Auge unsichtbares Licht im Infrarotbereich – auch über Stunden als außerordentlich stabil. Die stabilen Lichtfelder mit stets identischen Lichtblitzen erlauben es künftig, Experimente zur Elektronenkontrolle durch­zu­füh­ren – Grundlagenforschung, die perspektivisch etwa die Entwicklung ultraschneller Transistoren mit Lichtgeschwindigkeit ermöglichen könnte.

Neu an der Arbeit sei die rekordverdächtige Ähnlichkeit aller 200.000 Laserpulse pro Sekunde zueinander, so Erstautorin Katrin Meier. Dabei sei es gelungen, die Stabilität der Schwingungen des elektrischen Felds von einzelnen Laserschüssen bis hin zu Stunden zu bestimmen. Zentral dabei sei die Träger-Einhül­len­den-Phase (englisch: Car­rier-Enve­lope-Pha­se, CEP), die die genaue Form der Lichtwelle zusammen mit anderen Parametern beschreibt: „Man kann sich den Puls wie einen kurzen Blitz vorstellen, in dem nur wenige Wellenberge und Wellentäler der Schwingung des elektromagnetischen Feldes Platz haben. Die CEP bestimmt, an welcher Stelle diese Wellenberge und -täler innerhalb des Blitzes liegen“, erläutert die Doktorandin in der von der DFG geförderten Forschungsgruppe. „Ohne stabile CEP sähe ein Puls oder Blitz ganz anders aus als der nächs­te – und gezielte Experimente, die die Felder in dem Puls nutzen, wären unmöglich.“

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Da die CEP äußerst empfindlich auf Temperaturschwankungen, Luftbewegungen oder kleinste Erschütterungen reagiert, tragen ein gewissenhaft geplanter und ausgeführter Laseraufbau sowie die besonders konstanten Bedingungen im Oldenburger Attosekundenlabor zu ihrer Stabilität bei. Dennoch habe die außerordentlich hohe Stabilität der CEP das Team überrascht, so Meier. Obwohl diese nur eine sehr kleine Größe beschreibe, könne sie einen großen Einfluss auf Messergebnisse haben: „Eine minimale Verschiebung der CEP kann darüber entscheiden, wie Elektronen auf den Laserpuls re­a­gie­ren – ähnlich wie ein exakt getimter „Anschubser“ darüber entscheidet, in welche Richtung eine Schaukel schwingt.“ Dass die CEP sich beim nun erprobten Aufbau als derart stabil erwies, ermöglicht künftig Experimente, bei denen sich bisher gar kein Messsignal aufnehmen ließ. [U Oldenburg / dre]