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Ein neuer Rekord in der Kurzzeittechnologie

Ultraschneller Blick in Atome und Moleküle

München, 20.06.2008

Wer Bewegungen von Elektronen in Atomen beobachten will, der muss schnell sein. Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München sowie von Professor Ulf Kleineberg von der LMU hat eben diese Fähigkeit erneut unter Beweis gestellt. In Zusammenarbeit mit Kollegen von der Advanced Light Source in Berkeley (USA) haben die Forscher erstmals mit speziellen Laserpulsen Lichtblitze erzeugt, die nur noch rund 80 Attosekunden dauern. Wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science“ berichtet, sind die Wissenschaftler damit erstmals in den Zeitbereich von weniger als 100 Attosekunden vorgestoßen. Das Projekt wurde im Rahmen des Exzellenzclusters „Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP)“ durchgeführt. Die Ergebnisse eröffnen den Weg zur Echtzeitbeobachtung der schnellsten Elektronenbewegungen innerhalb von Atomen, Molekülen und Festkörpern. Einblicke in Elektronenvorgänge wiederum können zur Entwicklung neuer Lichtquellen, zum Verständnis der molekularen Ursachen schwerer Krankheiten oder zur schrittweise Beschleunigung der elektronischen Datenverarbeitung in Richtung der ultimativen Grenzen der Elektronik führen.

Elektronen bewegen sich rasend schnell. Innerhalb weniger Attosekunden springen die Teilchen in Atomen, zwischen benachbarten Atomen in einem Molekül oder in einem Festkörper von einem Ort zum anderen. Diese Sprünge sind die Ursache für Licht, das im sichtbaren, ultravioletten oder Röntgenspektrum ausgesandt wird. Sie sind ebenso verantwortlich für die Verformung von Biomolekülen und daraus resultierende Fehlfunktionen wie auch für die Übertragung von Signalen entlang der Nervenfasern. Um diese Sprünge zu beobachten, benötigt man Technologien, die entsprechend kurze Zeiträume messen können.

In der vorliegenden Untersuchung wurden dazu Lichtblitze eingesetzt. Für die Erzeugung der Attosekundenpulse verwendeten die Physiker das starke elektrische Feld von Laserblitzen im nahen, infraroten Licht. In den Laserblitzen führt dieses Feld kaum mehr als eine einzige kräftige Schwingung mit einer Periode von ca. 2,5 Femtosekunden aus. Eine Femtosekunde entspricht 1000 Attosekunden. Das bedeutet: Die Lichtwelle beinhaltet nur mehr zwei hohe Wellenberge und ein tiefes Wellental dazwischen. An den Spitzen dieser Berge und am Tiefpunkt des Tales ist die Kraft, die das elektrische Lichtfeld auf die Elektronen ausübt, am stärksten.

Sie ist sogar so stark, dass Elektronen aus Atomen geschlagen werden – im Experiment waren dies Edelgasatome. Kurzzeitig entstehen dann sogenannte Ionenrümpfe. Durch die Schwingung des Lichtfeldes ändert die Kraft aber ihre Richtung und schleudert die Elektronen wenig später zu den Ionenrümpfen zurück. Das bleibt nicht ohne Folgen. Denn beim Auftreffen rufen die freien Elektronen extrem schnelle Elektronenschwingungen hervor, die nur noch Attosekunden dauern und dadurch wiederum Lichtblitze in Attosekunden-Zeiträumen aussenden. Diese Blitze befinden sich im Bereich des extremen ultravioletten Lichts (XUV, ca. 10 bis 20 Nanometer Wellenlänge).

Die kontrollierte Erzeugung dieser einzigen kräftigen Lichtschwingung erlaubte es dem Forscherteam erstmals, Elektronen innerhalb eines einzelnen Laserpulses genau dreimal freizusetzen. Bei ihrer Rückkehr zum Ionenrumpf senden sie dann exakt drei Attosekundenpulse aus. Jeder Femtosekundenlaserblitz erzeugt also drei Attosekundenpulse. Einer dieser drei Pulse besitzt eine besonders hohe Intensität. Er liefert mehr als 100 Millionen Photonen in nur 80 Attosekunden. Diesen Puls filterte das Team mit speziellen Röntgenspiegeln heraus, die von Kleinebergs Arbeitsgruppe entwickelt worden waren.

Somit wurde ein einzelner Röntgenblitz mit einer Dauer von 80 Attosekunden erzeugt. Die neue Generation von Attosekundenpulsen in bislang unerreichter Kürze und Intensität verdankt ihre Existenz einer technische Innovation, die mit Hilfe von Laserblitzen die Freisetzung von Elektronen – die sogenannte Ionisation – auf eine einzige Schwingungsperiode des Laserlichts beschränkt.

Mit ihren Experimenten stoßen die Garchinger Physiker kontinuierlich in bisher unbekannte Zeitdimensionen vor. „Lichtpulse, die kürzer als 100 Attosekunden sind, werden uns den Zugang zu bisher nicht sichtbaren Elektronenbewegungen gewähren. Vor allem Wechselwirkungen der Elektronen untereinander werden wir in Echtzeit beobachten können“, erklärt Dr. Eleftherios Goulielmakis, Forschungsgruppenleiter im Team von Prof. Krausz. „Elektronen sind in lebenswichtigen mikroskopischen Prozessen genauso wie in der Technik allgegenwärtig“, ergänzt Krausz. „Ihre blitzschnelle Bewegung bestimmt den Ablauf aller biologischen und chemischen Prozesse, wie auch die Geschwindigkeit der Mikroprozessoren, das Herzstück von Computern.“

Manche Prozesse, etwa die Energieübertragung zwischen Elektronen oder die Reaktion der Teilchen auf externe Einflüsse, kann innerhalb weniger Attosekunden vonstatten gehen. „Mit unseren Lichtpulsen machen wir diese Phänomene immer besser sichtbar“, sagt der ungarisch-österreichische Physiker. Ähnlich wie bei der Belichtungstechnik in der Fotografie werden die Bilder aus dem Mikrokosmos umso schärfer, je kürzer die Lichtpulse sind, mit denen sie gemessen werden. „Dank der Attosekundentechnik werden wir eines Tages in Molekülen Elektronenbewegungen, die etwa für eine Krebserkrankung verantwortlich sind, in Zeitlupe beobachten. Ebenso werden wir elektrischen Strom in atomaren Schaltkreisen mit Infrarotlicht viele Billionen Mal pro Sekunde schalten können“, so Ferenc Krausz.

Das „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP)

Das „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP) ist ein interdisziplinär zusammengesetzter DFG-Exzellenzcluster an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Vor allem in der internationalen Kooperation sollen Laser der nächsten Generation entwickelt und einige der möglichen Anwendungsfelder erarbeitet und geprüft werden. Partner im Cluster sind die beiden Münchner Universitäten und mehrere Institute der Max-Planck-Gesellschaft sowie als Industriepartner Siemens Healthcare.

www.munich-photonics.de

Publikation:
„Single-Cycle Nonlinear Optics“,
E. Goulielmakis, M. Schultze, M. Hofstetter, V. S. Yakovlev, J. Gagnon, M. Uiberacker, A. L. Aquila, E. M. Gullikson, D. T. Attwood, R. Kienberger, F. Krausz, U. Kleineberg
Science, 20 Juni 2008

Ansprechpartner:
Professor Dr. Ferenc Krausz
Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Fakultät für Physik der LMU
Tel.: 089 / 32905 - 612
Fax: 089 / 32905 - 649
E-Mail: ferenc.krausz@mpq.mpg.de
Web: www.attoworld.de

Professor Ulf Kleineberg
Department für Physik der LMU
Tel.: 089 / 2891 - 4003
Fax: 089 / 2891 - 4141
E-Mail: ulf.kleineberg@physik.uni-muenchen.de