Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg konnte in einem Experiment am DESY in Hamburg nachweisen, dass sich XUV-Laserpulse sowohl in der räumlichen Ausdehnung als auch in der spektralen Zusammensetzung mit Gas als Linse formen lassen. Dabei nutzten sie die komplexen nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen intensivem Licht und Materie. Wenn ein starker XUV-Laserpuls ein optisch dichtes Medium – wie beispielsweise ein atomares Gas – durchläuft, regt er die Energieniveaus der Atome in schneller Folge an und ab. Diese Rabi-Oszillation bewirkt einen raschen Elektronentransfer zwischen diesen Quantenniveaus. Da ein Laserstrahl naturgemäß in seiner Mitte am intensivsten und zu den Rändern hin schwächer ist, variiert die Stärke dieser Wechselwirkung über das Strahlprofil hinweg.
Die Kontrolle der Form und spektralen Zusammensetzung dieser kurzwelligen Laserpulse – die von Standard-Optikkomponenten aus Glas stark absorbiert, anstatt reflektiert oder gebrochen zu werden – ist jedoch in der modernen Physik von großem Interesse, da viele atomare Übergänge in diesem Energiebereich liegen und deren gezielte Beeinflussung beispielsweise die Steuerung chemischer Reaktionen oder die Entwicklung ultraschneller Quantencomputer auf atomarer Ebene vorantreiben könnte.
Wie das Team zeigen konnte, bewirkt diese radiale Intensitätsvariation eine selbstinduzierte Veränderung des Brechungsindexes des Mediums, die um eine atomare Resonanzfrequenz – entsprechend dem Übergang zwischen zwei Elektronenniveaus – herum am ausgeprägtesten ist. „Das Zusammenspiel zwischen dieser intensitätsabhängigen Licht-Materie-Wechselwirkung und Effekten, die durch die makroskopische Pulsausbreitung innerhalb des dichten Mediums auftreten, verwandelt die Atome effektiv in ein brechendes Element, wie beispielsweise eine Linse oder ein Prisma“, erklärt Yu He, Erstautor der Studie. „Das Gas lenkt Licht nahe einer Resonanz effektiver nach außen ab als andere Frequenzen und verändert so dessen Spektrum.“
Mehr zu XUV-Strahlung
Plasma-Linsen für ultraschnelle Experimente
Attosekunden-Interferometrie an Festkörpern
Attosekunden-Laserpulse am laufenden Band
Geschrumpfte XUV-Laser
Unsichtbares sichtbar machen
Materie im Takt des Lichts
Nobelpreis Physik: Stoppuhr für Elektronen
Die Forschenden konnten ihre Beobachtungen gewinnen, indem sie intensive XUV-Laserpulse, die am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY in Hamburg erzeugt wurden, in eine Gaszelle mit Heliumatomen fokussierten. Die zentrale Photonenenergie der Pulse betrug 21,2 eV, was der Energie des elektronischen Überganges von 1s-2p im Heliumatom entspricht.
Je nach Intensität des ursprünglichen Laserpulses beobachtete das Team unterschiedliche Effekte: Bei geringerer Laserintensität wurde das Licht in der Gaszelle im Bereich der atomaren Resonanz absorbiert, blieb jedoch in seiner räumlichen Form unverändert. Bei höheren Laserintensitäten und höherem Gasdruck wurde der Strahl jedoch von seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt, insbesondere bei zwei spezifischen Frequenzen, die leicht unterhalb und oberhalb der atomaren Resonanzenergie lagen. Dies führte zu einer charakteristischen Doppelstruktur im Spektrum, die auf nichtlineare Effekte und makroskopische Auswirkungen der Pulsausbreitung zurückzuführen ist.
„Mit diesem Verfahren konnten wir eine zeitabhängige Linse erzeugen, mit der sich der Strahl und seine spektrale Zusammensetzung auf sehr kurzen Zeitskalen lenken und formen lässt“, erklärt Thomas Pfeifer, Direktor am MPIK. „Dies wird nicht nur dazu beitragen, optische Elemente für hochfrequentes Licht weiterzuentwickeln, sondern führt auch zu einem detaillierteren Verständnis der komplexen Prozesse, wie intensive Strahlung mit resonanten Medien interagiert und sich durch diese ausbreitet.“
Solche Erkenntnisse könnten zukünftigen spektroskopischen Techniken zugutekommen und neue Ansätze ermöglichen, um die räumliche und spektrale Form kohärenter XUV- und Röntgenpulse maßzuschneidern – für so vielfältige Anwendungen wie die Steuerung chemischer Reaktionen durch speziell strukturiertes Licht oder ultraschnelles Rechnen auf atomaren Längen- und Zeitskalen mit Quantencomputern. [MPIK / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
Y. He, A. Magunia, H. Mandal, et al., Redirection and reshaping of intense extreme-ultraviolet radiation, Sci. Adv. 12 (22), 29. Mai 2026; DOI: 10.1126/sciadv.aef5300 - Free-Electron Laser FLASH, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg
- Angeregte Atome und Moleküle in starken Feldern (Christian Ott), Abt. Quantendynamik und -kontrolle, MPI für Kernphysik, Heidelberg
Anbieter
Max-Planck-Institut für KernphysikSaupfercheckweg 1
69117 Heidelberg
Deutschland
Meist gelesen
Gravitationswellen als Ursprung der Dunklen Materie
Neuartige Berechnungen erforschen das frühe Universum und legen eine neue Methode zur Teilchenherstellung nahe.
Bullet Cluster: doch kein Beweis für Dunkle Materie?
Studie unter Federführung der Universität Bonn legt neue Daten vor, die das gängige Modell in Frage stellen.
Doppelspalt-Röntgenexperiment enthüllt verborgene Details
Forschende bauen weltweit kleinstes Interferometer und vermessen damit Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Atomkernen.
Atmosphäre wo keine sein dürfte
Berufs- und Amateuerforschende in Japan detektieren eine dünne Gashülle um ein 500-Kilometer-Objekt im äußeren Sonnensystem.
Solarzellen der nächsten Generation entschlüsselt
Physiker am ISTA erklären die außergewöhnliche Energieausbeute von Blei-Halogenid-Perowskiten mit Verunreinigungen und Defekten.