Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultraschneller Blick in Atome und Moleküle

20.06.2008
Physiker stellen mit ultrakurzen Lichtpulsen einen neuen Rekord in der Kurzzeittechnologie auf

Wer Bewegungen von Elektronen in Atomen beobachten will, der muss schnell sein. Diese Schnelligkeit hat jetzt ein Physikerteam des Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität in München bewiesen. Mit speziellen Laserpulsen haben die Forscher Lichtblitze erzeugt, die nur noch rund 80 Attosekunden dauern. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Damit stoßen sie erstmals in den Zeitbereich von weniger als 100 Attosekunden vor. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, schnellste Elektronenbewegungen innerhalb von Atomen, Molekülen und Festkörpern in Echtzeit zu beobachten. Solche Einblicke können zur Entwicklung neuer Lichtquellen führen. Darüber hinaus helfen sie, mikroskopische Ursachen von Krankheiten zu verstehen und die elektronische Datenverarbeitung weiter zu beschleunigen.


In einem der Herzstücke der Anlage, der Beamline AS-1, entstehen die ultrakurzen Lichtblitze. Das Foto zeigt eine Düse, aus der Edelgas strömt. Auf das Edelgas wird ein Laserblitz fokussiert. Dadurch werden die Edelgasatome angeregt und senden anschließend Lichtblitze im Attosekundenbereich aus. Bild: Thorsten Naeser


In einer Vakuumkammer werden extrem ultraviolette Attosekundenpulse (als blauer Strahl gekennzeichnet) über einen Spiegel (rechts) auf eine Probe aus Neongas fokussiert. Gleichzeitig trifft ein infraroter Laserpuls auf die Probe (roter Strahl). Die beiden kombinierten Lichtstrahlen machen Elektronenbewegungen in den bestrahlten Atomen sichtbar. Bild: Thorsten Naeser, Bildbearbeitung: Christian Hackenberger

Im Mikrokosmos bewegen sich Elektronen rasend schnell. Im Zeitraum weniger Attosekunden springen die Teilchen innerhalb von Atomen, zwischen benachbarten Atomen in einem Molekül oder einem Festkörper von einem Ort zum anderen. Im Körper übertragen sie so biologische Informationen in den Nerven, können aber auch Schaden anrichten, indem sie Biomoleküle verformen und damit Fehlfunktionen auslösen. Wenn die Elektronen umher springen, senden sie Licht aus, im Bereich des sichtbaren, ultravioletten oder Röntgenspektrums. Diese Bewegungen können Forscher umso schärfer abbilden, je kürzer die Lichtpulse sind, mit denen sie abgeblitzt werden. Ein Fotograf, der einen Kurzstreckenläufer in Aktion knipsen will, benutzt für ein scharfes Foto schließlich auch eine kürzere Belichtungszeit.

Zu diesem Zweck hat das Physikerteam um Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Advanced Light Source in Berkeley (USA) sowie Ulf Kleineberg von der LMU ultrakurze Lichtblitze erzeugt. "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 Eleftherios Goulielmakis, Forschungsgruppenleiter im Team von Ferenc Krausz.

Dazu lösen die Forscher eine Art Kettenreaktion aus, an deren Ende die Elektronen eines Edelgases die gewünschten Lichtblitze aussenden. Am Anfang der Kette steht nahes, infrarotes Laserlicht, das ein starkes elektrisches Feld besitzt. Mit diesem Licht erzeugen die Wissenschaftler Laserblitze, deren Feld kaum mehr als eine einzige kräftige Schwingung mit einer Periode von etwa 2,5 Femtosekunden (eine Femtosekunde sind 1000 Attosekunden) aus. Das heißt: 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 am stärksten, die das elektrische Lichtfeld auf
... mehr zu:
»Atom »Attosekunde »Lichtpuls

die Elektronen ausübt. Dadurch schlägt es Elektronen aus den Edelgasatomen heraus, die die Garchinger Physiker in ihrem Experiment verwendet haben. Übrig bleiben nur Ionenrümpfe. Durch die Schwingung des Lichtfeldes ändert die Kraft ihre Richtung und schleudert die Elektronen wenig später wieder zu den Ionenrümpfen zurück. 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 dann im Bereich des extremen ultravioletten Lichts von circa 10 bis 20 Nanometer Wellenlänge.

Die kontrollierte Erzeugung dieser einzigen kräftigen Lichtschwingung erlaubte es dem Garchinger Forscherteam nun erstmals, dreimal Elektronen innerhalb eines einzelnen Laserpulses freizusetzen. Bei ihrer Rückkehr zum Ionenrumpf senden sie dann exakt drei Attosekundenpulse aus. Einer dieser drei Pulse besitzt eine besonders hohe Intensität, er besteht aus mehr als 100 Millionen Photonen. Diesen Puls filtert das Team mit speziellen Röntgenspiegeln heraus, die die Arbeitsgruppe von Ulf Kleineberg entwickelt hat, und erzeugt dadurch einen einzelnen Röntgenblitz mit einer Dauer von 80 Attosekunden. Mit ihrer enormen Kürze und Intensität bilden die Attosekundenpulse der Forscher eine neue Generation.

Mit ihren Experimenten ermöglichen die Garchinger Physiker, bisher unbeobachtete mikroskopische Vorgänge sichtbar zu machen. "Elektronen sind in lebenswichtigen mikroskopischen Prozessen genauso wie in der Technik allgegenwärtig. Ihre blitzschnelle Bewegung bestimmt den Ablauf aller biologischen und chemischen Prozesse, wie auch die Geschwindigkeit der Mikroprozessoren, das Herzstück von Computern", erklärt Ferenc Krausz. Mancher dieser Prozesse, wie etwa die Energieübertragung zwischen Elektronen oder die Reaktion der Teilchen auf äußere Einflüsse, kann innerhalb weniger Attosekunden vonstatten gehen. "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.

Originalveröffentlichung:

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
Single-Cycle Nonlinear Optics
Science, 20. Juni 2008

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Atom Attosekunde Lichtpuls

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Extra-Sekunde zum neuen Jahr
08.12.2016 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Heimcomputer entdecken rekordverdächtiges Pulsar-Neutronenstern-System
08.12.2016 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten

08.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Intelligente Filter für innovative Leichtbaukonstruktionen

08.12.2016 | Messenachrichten

Seminar: Ströme und Spannungen bedarfsgerecht schalten!

08.12.2016 | Seminare Workshops