Lichtblitze aus dem Plasmaspiegel

Intensive isolierte Attosekunden-Pulse lassen sich mithilfe von schnellen Elektronen erzeugen

17. Dezember 2018

Es ist ein Spiegel an den Grenzen des Machbaren. Auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird eine dichte Schicht von Elektronen zu einer spiegelnden Oberfläche. Mit Hilfe dieses Plasmaspiegels schneller Elektronen können Physiker Lichtstrahlung modifizieren. Das Phänomen hat sich ein internationales Physikerteam des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität Umeå (Schweden) zu Nutze gemacht, um isolierte, sehr intensive Attosekunden-Pulse zu erzeugen. Eine Attosekunde dauert ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde.

Mit extrem intensiven Laserpulsen erzeugt das internationale Team aus Laserphysikern schnelle Elektronen, die als Plasmaspiegel wiederum Attosekunden-Lichtblitze emittieren.

Die Wechselwirkung zwischen extrem starken Laserpulsen und Materie ist immer wieder für neue Effekte gut. Dem deutsch-schwedischen Forscherteam hat sie nun einen neuen Weg eröffnet, Lichtblitze, die nur noch einige Attosekunden dauern, zu erzeugen, und damit den Mikrokosmos zu erforschen. Derart kurze Lichtblitze werden in der Regel durch die Interaktion von Laserlicht und Elektronen in Edelgas-Atomen produziert.

Die Wissenschaftler vom Labor für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und der Ludwig-Maximilians-Universität München haben zusammen mit Kollegen der Umeå Universität extrem starke Laserpulse, die einige Femtosekunden lang waren, mit Glas wechselwirken lassen. Eine Femtosekunde ist tausend Mal länger als eine Attosekunde. Das Laserlicht ionisierte das Glas und beschleunigte die freigesetzten Elektronen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit. Dabei entstand ein sehr dichtes Plasma aus schnellen Elektronen, das wie ein Spiegel wirkt und sich in Richtung der Laserpulse bewegt. Bei knapp Lichtgeschwindigkeit verhalten sich Elektronen relativistisch: Sie beginnen im Laserfeld zu oszillieren und wirken wie ein Spiegel, der seinerseits ultrakurze Lichtblitze erzeugt. In ihren Experimenten beobachteten die Physiker, wie die Pulse entstehen, das heißt, sie verfolgten, wie sich der Plasmaspiegel bewegte.

Intensivere Attosekunden-Blitze erhellen den Mikrokosmos

Die Lichtblitze haben eine geschätzte Dauer von rund 200 Attosekunden und Wellenlängen im ultravioletten Spektrum des Lichts. Im Gegensatz zu herkömmlich erzeugten Attosekunden-Lichtblitzen können die Physiker diese Pulse über die Form der Lichtwellen des Lasers, mit dem sie das Gas anregen, sehr präzise kontrollieren. Die im Plasmaspiegel produzierten Lichtblitze verfügen zudem über eine weit höhere Intensität, also mehr zusammengeballte Lichtteilchen, als herkömmliche Attosekunden-Lichtblitze.

Attosekunden-Lichtblitze dienen vor allem dazu, die Bewegungen von Elektronen zu erforschen und erlauben so detaillierte Einblicke in die elementaren Vorgänge der Natur. Die höhere Intensität der Lichtblitze aus dem Plasmaspiegel dürfte solche Beobachtungen im Mikrokosmos jetzt noch erhellender machen. Denn je intensiver die Attosekunden-Lichtblitze sind, desto leichter wird es, Teilchenbewegungen tief in der Materie zu erkunden. Die Forscher hoffen daher, dass sie mit dem neuen quantenoptischen Instrument Erkenntnisse gewinnen können, die zur Entwicklung leistungsfähigerer elektronischer Bauteile beitragen oder zu einem besseren Verständnis von Krankheiten und damit zu neuen Therapieansätzen führen.

TN/PH

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