Wellennatur des Lichts in Super-Zeitlupe

Ultrakurze Lichtpulse, die aus so breiten optischen Spektren bestehen, dass die Strahlen weiß aus­sehen, sind heute weit ver­breitet. Sie werden unter anderem einge­setzt, um die Netz­haut des Auges zu unter­suchen oder um physi­ka­lische Vor­gänge auf atomarer Ebene zeit­lich aufzu­lösen und zu steuern. In fast allen dieser Anwen­dungen werden die weißen Laser­pulse fokus­siert. Da die genaue Form der Licht­welle bestimmt, wie sich zum Beispiel Elek­tronen in ihr bewegen, ist es unab­ding­bar zu wissen, wie der fokus­sierte Laser­strahl genau aus­sieht.

Der Effekt lässt sich mit dem Bild eines Schiffes auf stürmischer See veran­schau­lichen. Für den Steuer­mann ist es nicht nur von Bedeu­tung, wie hoch und wie lang die Wellen sind, sondern er muss auch stets die ein­tref­fende Welle im Auge behalten, um zu wissen, zu welchem Zeit­punkt sie auf das Schiff trifft, damit er sicher den Wellen­berg hoch und auf der anderen Seite wieder hinunter steuern kann. Genauso ist es für Wissen­schaftler bei vielen Experi­menten und Anwen­dungen wichtig zu wissen, wann und wo das Maximum der Licht­welle etwa auf die Elek­tronen trifft, um sie gezielt beein­flussen zu können. Die Ände­rung und Aus­brei­tung der Wellen des elek­trischen Feldes finden dabei auf der Zeit­skala von einigen hundert Atto­sekunden statt. Auf dieser Zeit­skala konnte bisher die genaue Ver­tei­lung der Wellen­täler und -berge nicht im Fokus eines Laser­strahls ver­messen werden.

Einem Forscherteam aus Deutschland und Israel ist das nun gelungen: Sie fokus­sieren Laser­pulse auf eine nano­meter­scharfe Metall­spitze, wodurch Elek­tronen aus der Spitze emit­tiert werden. Diese Elek­tronen fun­gieren für die Wissen­schaftler als Sonde für die genaue Form der Licht­welle.

Bereits vor fast 130 Jahren hat der französischen Physiker Louis Georges Gouy mittels Inter­ferenz eine Phasen­ver­schie­bung bei Fokus­sie­rung von ein­far­bigem Licht beob­achtet und be­schrieben. Dieser Effekt, nach seinem Ent­decker Gouy-Phase genannt, wurde lange Zeit auch für weiße Laser­spektren ange­nommen. Die Messungen der Forscher­teams haben diese Beschrei­bung erwei­tert, so dass jetzt auch bei kurzen Licht­pulsen kein Kapitän mehr von uner­wartet auf­tau­chenden Wellen­bergen über­rascht werden muss – um im Bild zu bleiben. Die Erkennt­nisse sind von funda­men­taler Bedeu­tung für die Wechsel­wirkung von Licht und Materie und ermög­lichen eine bisher unge­kannte Kon­trolle von Elek­tronen­bewe­gungen und che­mischen Reak­tionen. Von den Erkennt­nissen können vor allem weitere For­schungen zu neu­artigen Strah­lungs­quellen und Licht­wellen­elek­tronik pro­fi­tieren.

FAU / RK