Attosekundenlaser – kürzere Pulse, schnellere  Dynamiken und kleinere Strukturen

Warum und zu welchem Zweck werden Laser benötigt, deren Pulsdauer kürzer als eine Femtosekunde (1 fs = 1 * 10-15 s) ist?

Bereits mit Femtosekundenlasern ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, die Bewegungen von Atomkernen unter anderem in Molekülen zu verstehen. Sie senden keinen dauerhaften Laserstrahl aus, sondern kontinuierlich Pulse von einer Länge im Femtosekundenbereich (1 fs = 1*10-15 s, Femtosekunden bereich bedeutet: 1–999 fs). Um die deutlich kleineren und somit auch schnelleren Elektronen zu beobachten, sind Femtosekundenlaser allerdings zu langsam. Dafür benötigt man Pulslängen im Attosekundenbereich (1 as = 1 * 10-18 s = 0,000 000 000 000 000 001 s). Um mit den Attosekunden-Laserpulsen Forschung zu betreiben, muss jeder Puls in einem Zug aus Pulsen möglichst gleich sein. Es gelang 2001 erstmalig, solche Pulse kontrolliert im Labor zu erzeugen, und das Verfahren wurde seither weiterentwickelt.

Messmethoden im  Attosekundenbereich

Da bei Messungen mit Attosekundenlaserpulsen die Heisenberg’sche Unschärferelation relevant wird, können Elektronendynamiken nicht mehr im klassischen Bild der Physik gemessen werden. Sie besagt, dass Ort und Impuls (und damit Geschwindigkeit) eines quantenmechanischen Teilchens zur selben Zeit nicht beliebig genau gemessen werden können. Somit müssen auch Messmethoden im Attosekundenbereich im Vorhinein mit Blick auf diese Unschärferelation entwickelt werden. Eine möglichst genaue Auflösung des Impulsraums liefert dabei die „Velocity-Map Imaging“-Methode (VMI), mit einem Photoelektronen- Emissions- Mikroskop (PEEM) hingegen kann der Ort zu einem gewissen Zeitpunkt möglichst genau untersucht werden.

VMI-Methode

Die VMI-Methode wird unter anderem verwendet, um die Attosekunden- Streakkamera zu entwickeln. Diese Kamera ermöglicht es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, mithilfe eines Attosekun den- Laser pulses ein Elektron aus dem zu untersuchenden System zu ionisieren. Dieses Elektron wird durch einen zweiten Laserpuls im infraroten Spektrum beschleunigt und schlussendlich detektiert. Die Beschleunigung des Elektrons hängt unter anderem auch von Materialkonstanten ab. Durch Veränderung der Zeit zwischen den beiden Pulsen kann so ein Bild der Ionisationsdynamik der Probe gewonnen werden.

Oberflächenplasmonen

Die Photoelektronen-Emissions-Mikroskopie wird von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern verwendet, um die Reaktion von Elektronen auf einen einfallenden Laserpuls zu beobachten. Goldnanopartikel zum Beispiel verhalten sich ganz anders als massives Gold. Kennt man den goldenen Schimmer des Edelmetalls von Schmuck, denken hingegen wenige bei roten Kirchenfenstern an Gold, aber hier ist es „nanoklein“. In solchen Nanopartikeln werden Elektronen durch das elektrische Feld des einfallenden Lichts kollektiv verschoben. Es kommt unter den Elektronen zu kohärenten Schwingungen, Oberflächenplasmonen genannt. Diese werden dann mit einem zweiten Laserpuls, dem Attosekundenpuls, „foto gra fiert“. Variiert man wiederum die Zeit zwischen dem anregenden und dem abfragenden Laserpuls, kann man erkennen, wie solche Verschiebungen zu Stande kommen.

Jeanette Gehlert, Deutsches Jungforschernetzwerk – juFORUM e.V.

Deutsches Jungforschernetzwerk:

Das Deutsche Jungforschernetzwerk –  juFORUM e. V. ist ein Verein, der den  produktiven Austausch zwischen  wissenschaftlich interessierten jungen  Menschen fördert. In ihm engagieren  sich Jungforscher für Jungforscher. www.juforum.de

Literatur- und Linktipps:

F. Krausz, M. Ivanov: Attosecond  physics. Review of Modern Physics 81,  163–234 (2009).

Max-Planck-Institut für Quantenoptik:  www.attoworld.de