Einem Physikerteam der Universität Oldenburg ist es gelungen, dreidimensionale Lichtfelder durch Überlagerung von zwei extrem kurzen Laserpulsen, die aus unterschiedlichen Richtungen zusammentreffen, zu erzeugen. Zudem versetzten sie Elektronen damit in bislang experimentell nicht zugängliche Quantenzustände. Die Methode eröffne neue experimentelle Perspektiven, um chirale Strukturen gezielt zu erkennen, Wechselwirkungen von Licht und Materie zu steuern oder spezielle elektronische Quantenzustände zu erzeugen.
„Mit unserer Methode können wir bisher nur theoretisch beschriebene elektronische Quantenzustände erzeugen und diese zudem räumlich sichtbar machen“, erklärt der Leiter der AG Ultraschnelle Kohärente Dynamik, Matthias Wollenhaupt. „Damit erweitern wir den experimentellen Werkzeugkasten der Optik um eine neue Klasse von dreidimensionalen Lichtfeldern.“
Um diese Lichtfelder zu erzeugen, überlagerte das Team zwei speziell geformte Femtosekundenlaserpulse. Die Forschenden kombinierten zwei verschiedenfarbige Laserstrahlen so, dass sich ihre Strahlung an einem Punkt kreuzte. Dort entstanden die dreidimensionalen Lichtfelder, deren Form das Team kontrollieren konnte.
„Die Felder schwingen in allen drei Raumrichtungen und eröffnen damit neue Möglichkeiten, bestimmte Licht-Materie-Wechselwirkungen zu untersuchen und zu kontrollieren“, erklärt Darius Köhnke, einer der beiden Hauptautoren und Doktorand in der Arbeitsgruppe. Der entscheidende Vorteil: Mit dreidimensionalen Lichtfeldern können Forschende bislang für Experimente unzugängliche quantenmechanische Zustände von Elektronen gezielt erzeugen.
Das Team demonstrierte dies, indem es Elektronen von Kalium-Atomen mit ihrem 3D-Lichtfeld gezielt in angeregte Zustände versetzte und aus dem Atom herauslöste. Gleichzeitig konnten die Forscher die Veränderungen der Elektronenzustände in kurzen Abständen beobachten. Ihr Verfahren funktionierte somit wie eine Ultrakurzzeitkamera für Quantenprozesse: Ähnlich wie mit einem Stroboskopblitz gelang es ihnen, die aufeinanderfolgenden Stadien der unterschiedlichen Elektronenzustände nach und nach abzubilden und somit den Prozess wie in einem Film sichtbar zu machen.
Besonderes Licht enthüllt Chiralität
Lichtfelder nach Maß
Licht in 4D
Wie die Forschenden in ihrem Fachartikel darlegen, sei der Ansatz besonders vielversprechend, um chirale Moleküle zu untersuchen, die eine zentrale Rolle in Biologie und Medizin spielen. Zahlreiche Biomoleküle wie Aminosäuren, Zucker, aber auch Arzneimittelwirkstoffe können chiral sein. Die beiden Varianten haben häufig unterschiedliche Eigenschaften, wie etwa der Wirkstoff Thalidomid aus dem Medikament Contergan, dessen eine Variante Missbildungen in der Schwangerschaft verursacht, während die andere Form unschädlich ist. Sie zu trennen oder auseinanderzuhalten ist indessen oft schwierig. Für die Entdeckung nichtlinearer Effekte und der Autokatalyse in der asymmetrischen organischen Synthese erhalten Henri Kagan und Kenso Soai den diesjährigen Nobelpreis für Chemie.
Dreidimensionale Lichtfelder könnten hier einen Fortschritt bringen: „Theoretische Studien zeigen, dass dreidimensionale Lichtfelder ebenfalls chirale Eigenschaften besitzen können“, erläutert Wollenhaupt. Die neuartigen Möglichkeiten, die dreidimensionale Lichtfelder für die Untersuchung und Kontrolle molekularer Chiralität eröffnen, rückte die Physikerin Olga Smirnova vom Max-Born-Institut in Berlin letztes Jahr in einem Perspektivartikel in den Fokus. Die aktuelle Arbeit, schreiben die Physiker, schaffe eine wichtige Grundlage für solche Anwendungen. [CvOU / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichungen
D. Köhnke, H.-C. Ahlswede, T. Bayer, and M. Wollenhaupt, Multiphoton ionization with three-dimensional light fields, Phys. Rev. Research 8, 033048, 13. Juli 2026; DOI: 10.1103/r36b-vw82
O. Smirnova, A new age of molecular chirality – Advanced optical approaches reshape the frontiers of chiral sensing, Science 389 (6757), 232–233, 17. Juli 2025; DOI: 10.1126/science.adn0905 - AG Ultraschnelle Kohärente Dynamik ULTRA (Matthias Wollenhaupt), Institut für Physik, Fakultät V, Universität Oldenburg
