06.05.2015

Ludwig-Maximilians-Universität München

Attosekundenphysik - Ein neues Tor zum Mikrokosmos

LMU-Physiker haben eine Laserquelle entwickelt, mit deren Lichtpulsen sich Bewegungen außerhalb des Atomkerns noch besser kontrollieren und beobachten lassen.

Die Elektronik der Zukunft könnte mit Licht gesteuert werden. Dann würde man die Datenverarbeitungs- und Informationstechnologie mit der Frequenz von Lichtwellenschwingungen betreiben, was in etwa einer 100.000fachen Beschleunigung im Vergleich zu heutiger Technik entspricht. Ein Team um Professor Ferenc Krausz vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik hat nun eine neue Lichtquelle entwickelt, die extrem kurze, hochintensive Laserpulse liefert. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher aktuell im Fachmagazin Nature Communications.

Bis heute kommen in der Forschung mit ultrakurzen Laserpulsen vor allem Laser mit Titan:Saphir-Kristallen (Ti:Sa) zum Einsatz, doch immer mehr wird deutlich, dass die Zukunft den Scheibenlaser-Systemen gehört. Hier hat der Laserkristall ein scheibenförmiges Aussehen. Das LAP-Team hat nun einen Ytterbium:Yttrium-Aluminium-Granat Scheibenlaser (Yb:YAG, Disk-Laser) entwickelt, der Lichtpulse mit einer Dauer von 7,7 Femtosekunden und 2,2 Lichtwellenausschlägen aussendet (Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde). Diese Pulse verfügen über eine durchschnittliche Leistung von sechs Watt und 0,15 Mikrojoule Pulsenergie, eineinhalb Größenordnungen mehr als kommerziell erhältliche Ti:Sa Laser.

Neue Ära in der Ultrakurzzeit-Physik
Die Wellenform von Licht in Laserpulsen kann man mittlerweile gut kontrollieren. Diese Kontrolle haben die LAP-Physiker bei ihrem neuen System noch einmal verbessert. Die Kontrolle über die Geometrie der elektromagnetischen Lichtwellen ist eine erste Voraussetzung für die gezielte Steuerung von Elektronen in Festkörpern oder einzelnen Atomen und damit einer lichtwellengesteuerten Elektronik. Die zweite Voraussetzung dafür besteht in der Verkürzung der Lichtblitze auf wenige Femtosekunden. Frühere Experimente des LAP-Teams haben bereits gezeigt, dass es möglich ist, elektrische Ströme mit gezielt geformten elektromagnetischen Wellen, also speziellen Laserpulsen an- und auszuschalten. Allerdings ließen sich solche Experimente bisher nur bei Pulswiederholungsraten von wenigen Tausend pro Sekunde durchführen.

Das ändert sich nun mit dem neuen Laser aus dem LAP-Labor, denn die hohe Wiederholungsrate von mehreren zehn Millionen Pulsen pro Sekunde mit hoher Spitzenleistung aus dem jetzt entwickelten Laser läutet in der Ultrakurzzeit-Physik eine neue Ära ein. Die Ultrakurzzeit-Physik beschäftigt sich unter anderem mit der Erkundung von Attosekunden-kurzen Elektronenbewegungen in Molekülen und Atomen. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. In diesen Zeiträumen werden Elektronen „fotografiert“. Die „atomare Fotografie“, wie sie in heutigen Attosekundenlaboren stattfindet, erhält damit einen „Sportmodus“. Das bedeutet, dass seltene Ereignisse im Mikrokosmos, die mit den bisherigen Ti:Sa-Systemen nur durch Beobachtung über Stunden, Tage oder sogar überhaupt nicht zu beobachten waren, mit der neuen Technologie in einem wesentlich kürzeren Messzeitraum detaillierter erfasst werden können. Die Datenraten werden dabei um einen Faktor von 1000 bis 100.000 erhöht.

Und auch in der Erkundung elementarster Naturphänomene könnte die neue Lasertechnologie eingesetzt werden. So wird der Laser künftig Lichtblitze generieren, die sich im extremen ultravioletten Bereich des Lichts (60 Nanometer Wellenlänge) befinden. Damit könnte man erstmals zum Beispiel Helium-Ionen anregen und deren Schwingungen pro Sekunde mit der von LMU-Professor Theodor Hänsch entwickelten, mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Frequenzkammtechnik, exakt bestimmen. Solche Laserspektroskopie-Experimente dienen etwa dazu, Naturkonstanten zu überprüfen. Die Scheibenlaser-Technik könnte in naher Zukunft in den Grundlagen-Forschungslaboren der Attosekundenphysik und der Laserspektroskopie Einzug halten, hoffen die Forscher. „Wir öffnen der Physik ein neues Tor zum Mikrokosmos“, sagt Ferenc Krausz.
(Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms7988)

Quelle