Licht ertasten
Ein besseres Verständnis, was beim Abtasten von Lichtfeldern passiert, könnte die Empfindlichkeit der Messung erhöhen
Die Elektronik der Zukunft wird rasant sein. Sie könnte mit den Frequenzen von Licht gesteuert werden. Das würde heißen: Schaltvorgänge wären ungefähr 100.000 Mal schneller als sie es heute sind. Um diese so genannte Lichtwellenelektronik zu entwickeln, bedarf es einer genauen Kenntnis der Eigenschaften von Lichtwellen. Deren elektromagnetische Felder können mit modernen, sogenannten field-sampling - Methoden abgetastet werden. Die Methode ist etabliert, aber in ihren Details noch nicht vollständig verstanden. Nun hat ein internationales Team an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik unter der Leitung von Matthias Kling und Boris Bergues herausgefunden, was genau während der Abtastung von Lichtfeldern passiert und wie diese bei ihrer Wechselwirkung mit Materie messbare Ströme induzieren.
Licht ist eine faszinierende Naturerscheinung. Es ist unglaublich schnell und seine elektromagnetischen Felder pulsieren mit extrem hohen Frequenzen. Im sichtbaren Bereich des Spektrums schwingt Licht mit nahezu einem Petahertz (das heißt tausend Billionen, also 1015 Schwingungen pro Sekunde). Diese Eigenschaften kann technologisch genutzt werden, um künftige Elektronik mit Hilfe elektromagnetischer Felder des Lichts betreiben. Damit wäre sie bis zu 100.000-mal schneller als heute.
Doch um solche Vorgänge zuerst einmal exakt erfassen und kontrollieren zu können, braucht es ausgeklügelte Technologien. Elektromagnetische Lichtfelder werden mit sogenannten field-sampling-Methoden abgetastet. Dazu wird mit den kurzen Laserpulsen die Luft in der Nähe einer Metallelektrode ionisiert. Hierbei werden Ladungsträger erzeugt, die in Elektroden Ströme erzeugen. Die Richtung und Stärke des elektrischen Stroms hängen von der genauen Wellenform der Lichtwelle ab und lässt sich somit steuern. In bisherigen Untersuchungen blieb jedoch verborgen, wie genau die erzeugten Ladungsträger den gemessenen Strom bestimmen. Zudem gab es bislang keine Möglichkeit, den erwarteten Strom quantitativ vorherzusagen.
Die Methode des field sampling
Nun hat ein internationales Team am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und an der Ludwig-Maximilians-Universität unter der Leitung von Matthias Kling und Boris Bergues dieses Geheimnis gelüftet. Mithilfe von experimentellen Untersuchungen und numerischen Rechnungen fanden die Forscher heraus, wie sich der Prozess quantitativ modellieren lässt. „Durch die Studie wurde klar, dass für die makroskopische Signalbildung durch ultraschnelle Ströme in Gasen die Streuung und Ladungswechselwirkung der erzeugten Ladungen eine wichtige Rolle spielt“, erklärt Johannes Schötz, Erstautor der Publikation.
Insbesondere entdeckten die Forscher auch, wie sich die Stärke der erzeugten Signale um eine Größenordnung vergrößern lässt. Das lässt die Methode des field sampling noch empfindlicher und exakter werden. Die Studie ist ein wichtiger Schritt zu neuen opto-elektronischen Anwendungen. Sie ebnet den Weg hin zu einer künftigen, Licht-gesteuerten Elektronik. Die Forscher hoffen, mit ihren Erkenntnissen die Entwicklung von effizienteren Petahertz-Feldmessungen mit höchster Empfindlichkeit voranzutreiben.
thn