Aus Licht verschiedener Wellenlängen entstehen sichtbare Attosekunden-Blitze
„Eine Voraussetzung dafür, ein so kurzes Ereignis einzufangen, ist ein Lichtblitz, der die Elektronen extrem schnell in Bewegung versetzt – im Fachjargon polarisiert – und so ihre Reaktionszeit testet“, erklärt Mohammed Hassan aus der Forschungsgruppe von Eleftherios Goulielmakis. Solche Lichtblitze stellen die Wissenschaftler mit einem sogenannten light-field synthesizer her. Dabei manipulieren sie die Eigenschaften sichtbaren, nah-infraroten und ultravioletten Lichtes so, dass sie daraus einen Lichtpuls im sichtbaren Bereich mit einer Länge von nur 380 Attosekunden zusammensetzen können. Die Pulse sind so kurz, dass sie kaum mehr als eine halbe Schwingung des Lichtfeldes mit sich führen. Sie sind somit die kürzesten je im sichtbaren Bereich erzeugten Pulse. „Wir können sichtbares Licht nicht nur mit Attosekunden-Präzision manipulieren, sondern seine Wellen auch auf Attosekunden-Zeitintervalle beschränken“, erläutert Tran Trung Luu, Wissenschaftler im Team von Goulielmakis.
Ähnlich präzise kontrollieren Physiker seit einigen Jahren bereits Blitze des viel kurzwelligeren UV- oder Röntgen-Lichts. Diese stoßen Elektronen jedoch zu nicht kleinen Bewegungen an, sondern schleudern die Teilchen gleich aus einem Atom, Molekül oder Festkörper heraus.
Welcher Weg führt zu einer neuartigen Elektronik und Photonik?
Das neue Werkzeug der Attosekunden-Pulse sichtbaren Lichts nutzten die Wissenschaftler, um Krypton-Atome anzuregen. Dabei variierten sie die beiden Eigenschaften der Pulse, die diese genau charakterisieren: die Intensität und die Phase. Letztere gibt den Punkt auf der Lichtwelle an, den die elektromagnetische Schwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt durchläuft. Die kleinen Veränderungen der Pulse hatten zur Folge, dass in verschiedenen Experimenten leicht unterschiedliche Kräfte auf die Elektronen in den Atomen wirkten. Nach der Anregung gaben die Elektronen ultraviolettes Licht ab. Diese Strahlung verriet den Forscher letztlich, dass es etwa 100 Attosekunden dauert, bis die Elektronen auf die Kraft des Lichtes ansprechen.
Als einen der nächsten Schritte planen Goulielmakis und sein Team, die Untersuchungen auf die Elektronendynamik in Festkörpern auszudehnen. „Damit werden wir herausfinden, auf welchem Weg wir am besten neuartige ultraschnelle Elektronik und Photonik realisieren können, die auf Zeitskalen von wenigen Femtosekunden – eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde – und mit Petahertz-Taktfrequenzen arbeiten“, so Goulielmakis. (OMS/PH)
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