Laserpulse geben Geheimnisse preis

Momentaufnahmen vom Innenleben der Atome zu erhalten, ist eines der wichtigsten Ziele der so genannten Attosekunden-Physik: Extrem kurze Laserblitze sollen die Bewegung der Elektronen um den Atomkern sichtbar machen. Ideal wäre dafür ein Laserpuls, der genau eine Cosinusschwingung umfasst. Ein Forscherteam hat nun eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, einzelne ultrakurze Laserpulse vollständig zu charakterisieren.

Damit kann der Versuchsaufbau genau auf die gewünschte Cosinuswelle optimiert werden, berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Online-Ausgabe des Wissenschaftsjournals „Nature Physics“.

Atome werden üblicherweise so dargestellt, als würden die Elektronen in einer Art Kugel den Kern umhüllen. Doch für die gezielte Beeinflussung chemischer Reaktionen oder die Weiterentwicklung elektronischer Bauteile wäre es höchst interessant die Elektronen und ihre Wechselwirkung mit dem Kern und der Umgebung direkt beobachten zu können. Mit extrem kurzen intensiven Laserpulsen schickt sich die Attosekunden-Physik an, diesen weißen Fleck auf der Landkarte zu erforschen.

Erstmals Elektronen in ihrem atomaren Umfeld beobachtet

Es bedarf einiger Tricks, um diese unvorstellbar kurzen Lichtblitze zu erzeugen. „Eine Attosekunde ist eine Trillionstel Sekunde, eine Zahl, bei der 17 Nullen zwischen dem Komma und der Eins stehen“, erläutert Professor Reinhard Kienberger, Physiker der Technischen Universität München (TUM). „Schon eine einzige vollständige Welle aus sichtbarem Licht ist mit 2.500 Attosekunden viel zu lang für unsere Experimente.“

Die Physiker schießen daher mit ultrakurzen Laserpulsen Elektronen aus Atomen des Edelgases Neon heraus, die beim Zurückfallen in ihre ursprüngliche Position ultraviolettes Licht abstrahlen. Dieses Licht hat nun die benötigte Wellenlänge im Attosekundenbereich. Und Professor Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching konnte damit erstmals Elektronen in ihrem atomaren Umfeld direkt beobachten.

Für genauere Beobachtungen wünschen sich die Physiker nun die ideale Cosinuswelle, bei der eine maximale Stärke des elektrischen Feldes erreicht wird. Doch selbst mit aufwändigsten technischen Tricks gibt es immer wieder kleine Abweichungen, die die Messungen verfälschen. Schlimmer noch: Bisher konnte man gar nicht einmal exakt messen, welche Phase ein bestimmter Puls hatte. Nur aus dem Mittelwert vieler Pulse konnte man sehen, ob man im Mittel richtig lag. Für viele Experimente ist diese Vorgehensweise zu ungenau und für Hochenergie-Laser, die nur einzelne Pulse liefern, überhaupt nicht brauchbar.

Entscheidender Durchbruch gelungen

Ein Effekt, der wie die Erzeugung von Attosekundenpulsen bei der Wechselwirkung von hochintensiven Laserpulsen mit Atomen auftritt, brachte nun für Kienberger und sein Team den entscheidenden Durchbruch: Die meisten aus einem Atom vom Laserpuls heraus geschlagenen Elektronen finden nicht mehr zurück zu ihrem „Mutteratom“. Etwas vereinfacht: Zeigt das Maximum der Cosinuswelle nach links, fliegen diese Elektronen nach links, zeigt sie nach rechts, fliegen sie nach rechts.

Beim Durchgang einer Sinuswelle werden rechts und links gleich viele Elektronen registriert. So können die Forscher nun genau sagen, wie die Phasenlage des durchgehenden Pulses war. Und sie können die Elektronik so optimieren, dass Abweichungen ausgeglichen werden.

Für Hochenergie-Laser stößt Kienberger mit seiner Methode die Tür zu völlig neuen Experimenten auf: Diese Laser liefern nur wenige Pulse pro Sekunde. Eine Stabilisierung ist hier aussichtslos, weil die Zeit zwischen zwei Pulsen zu lang ist. Doch wenn man viele Pulse sammelt und diejenigen auswählt, bei denen die Welle die richtige Phase besaß, dann werden nach Angaben der Forscher plötzlich auch hier die Messergebnisse interpretierbar.

(Technische Universität München (TUM), 20.04.2009 – DLO)