Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Starke Laser machen "Quantenbahnen" sichtbar

04.05.2001


Atome unter extremen Bedingungen /Max-Planck-Institut für Quantenoptik bringt neues Licht in Phänomeneder Photoionisation

Mit neuen Laser-Experimenten haben vierWissenschaftlergruppen aus Deutschland und Frankreich detailliert dieProzesse beschrieben, die bei der Ablösung eines Elektrons aus dematomaren Verbund sowie bei verwandten Phänomenen auftreten. DieMethode beruht auf einer von Richard Feynman eingeführten Version derQuantenmechanik auf der Basis der Pfadintegrale, die sich in einigenFällen besser anwenden lässt als die herkömmlichen Verfahren derQuantenphysik, wie sie zum Beispiel von Heisenberg, Schrödinger oderDirac vorgeschlagen worden sind. Die Garchinger Gruppe amMax-Planck-Institut für Quantenoptik hat dabei in erster Linie diePhotoionisation untersucht. (Science, 4. Mai 2001).

Die moderne Lasertechnik erlaubt es heute, dieWechselwirkung von Atomen mit Strahlung unter extremen Bedingungen zuuntersuchen. Es ist zurzeit möglich, kurze Impulse im Bereich bisherunter zu fünf Femtosekunden (ein Femtosekunde = eine BilliardstelSekunde) zu erzeugen. Diese Zeitdauer ist kurz gegenüber vielenVorgängen im atomaren Bereich. Außerdem kann die erzeugte Stärkedes Laserfelds so gesteigert werden, dass sie die Felder im Innerenvon Atomen übertrifft. Damit werden einerseits ultraschnelle, atomareund molekulare Prozesse einer Beobachtung zugänglich, andererseitskönnen die Atome unter Bedingungen studiert werden, wie sie sonst nurin extremen Fällen - zum Beispiel in Sternatmosphären - vorkommen.

Die neuen Experimentiermöglichkeiten haben bei der Darstellung deratomaren Vorgänge Defizite aufgedeckt, die nunmehr durch den Einsatzeiner alternativen Beschreibung der Quantenvorgänge überwundenwerden konnten. So weist die vom Garchinger Max-Planck-Institut fürQuantenoptik untersuchte Photoionisation einige Besonderheiten auf.Beispielsweise nehmen die Elektronen mehr Energie auf, als sie fürden eigentlichen Ablösungsprozess benötigen. Wegen der Quantisierungder Strahlungsenergie tritt als Folge eine Quantisierung derkinetischen Energie der abgelösten Elektronen auf; dieEnergiespektren der Elektronen zeigen eine diskrete Struktur. DieseProzesse, die mit der Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlungbei der Ablösung des Elektrons zusammenhängen, nennt man Ionisationmit Energien oberhalb der Ionisationsgrenze. Abb. 1 zeigt die beidiesen Untersuchungen erhaltenen Elektronenspektren.

Abbildung 1: Energiespektren von Photoelektronen bei derWechselwirkung mit intensiver Laserstrahlung. Links: Die Abstände derMaxima entsprechen der Photonenenergie und ihre Energieposition wirddurch ein verallgemeinertes Einsteinsches Gesetz bestimmt. Rechts: Beihöheren Intensitäten (hier ca. 0.7·1014 W/cm2)sind diese Maxima weniger gut ausgeprägt und man findet ein Plateauim Bereich zwischen ca. 20 und 40 eV. Dieses Plateau rührt daher,dass ein Teil der Elektronen während des Ionisationsprozesses in denAtomverband zurückkehrt und dort Streuprozesse ausführt.


Ein weiteres Phänomen ist die Erzeugung hoher"Harmonischer", das heißt: Durch das Atom werden Vielfacheder eingestrahlten Lichtfrequenz erzeugt. Ursache für diesen Effektist das Ablösen und nachfolgende Wiedereinfangen des Elektrons, wobeiVielfache der Frequenz der eingestrahlten Welle ausgesandt werden.Diese Erzeugung von "Harmonischen" ist ein vielversprechender Ansatz, kohärente Strahlung im Vakuum-UV-Bereich undsogar im weichen Röntgenbereich zu erzeugen. Die Methode hat deshalbein hohes Potenzial für Anwendungen, unter anderem beiStrukturuntersuchungen oder beim Studium biologischer Systeme mitRöntgenstrahlen.

Unter der Einwirkung von sehr intensiver Laserstrahlung kommt esaußerdem zur gleichzeitigen Ablösung mehrerer Elektronen. Auch dieDynamik dieser Vorgänge kann jetzt experimentell untersucht werden.Aufgrund sich widersprechender theoretischer Modelle ist dieser Effektfür die Grundlagenforscher besonders interessant.

Die Wissenschaftler studieren die unterschiedlichen Phänomene mitzwei verschiedenen Methoden:

1. In einem Laufzeitexperiment werden die Energien der Elektronenuntersucht, wobei sich die emittierten Elektronen durch eine"Driftstrecke" bewegen. Bei der Ablösung des Elektrons ausdem Atomverband beobachten die Forscher aufgrund der Wechselwirkungmit dem Laserlicht eine Serie von Maxima (Abb. 1), deren Amplitudesehr schnell mit zunehmender Ordnung abnimmt und dann bei hohenOrdnungen konstant bleibt, also ein plateauartiges Verhalten zeigt.

2. Ein Spektroskopie-Experiment dient dazu, die Erzeugung der"Harmonischen" zu studieren. Bei der nichtsequentiellenDoppel-Ionisation wird die Anzahl einfach und mehrfach geladener Ionenals Funktion der Laserintensität gemessen. Dabei stellt sich heraus,dass bei vergleichsweise niedrigen Intensitäten eine sehr vielgrößere Zahl geladener Ionen entsteht als nach den herkömmlichenModellen zu erwarten ist.

Abbildung 2: Spektrum der höheren Vielfachen derLaserfrequenz. Die Abbildung zeigt die ungeraden Harmonischen von der19. bis zur 33. Ordnung, die in einem Vakuum-UV-Spektrometeranalysiert und mit einer pn-CCD Detektoranordnung aufgenommen wurden.

... mehr zu:
»ABB »Elektron »Erzeugung »Trajektorien

Im Labor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik können dieWissenschaftler erstmals alle drei Phänomene praktisch gleichzeitigmit ein- und demselben Lasersystem untersuchen. Für die Untersuchungder Verwandtschaft dieser Effekte ist das von besonderer Bedeutung, dadie Charakterisierung von Femtosekundenlaserpulsen und damit dieVergleichbarkeit verschiedener Lasersysteme ein großes Problem beiverschiedenen Experimenten darstellt. Eine weitere Besonderheit desExperiments ist die außerordentlich hohe Sensitivität. Sie wirdeinerseits durch eine extrem hohe Laserpuls-Repetitionsrate (100 kHz)und andererseits durch sehr empfindliche Detektoren erreicht. EinBeispiel dafür ist das Spektrometer für den weichen Röntgenbereich.Abb. 2 zeigt hohe "Harmonische" des Femtosekundenlasers, diemithilfe dieser speziellen CCD-Kamera aufgenommen wurden.

Die Atome werden unter besonders extremen Bedingungen untersucht,weil eine theoretische Beschreibung der Phänomene nicht ganz einfachist - die üblichen Berechnungsmethoden greifen hier nicht. GroßenErfolg hatte die Beschreibung der Ionisation in einem klassischenModell, bei dem die Bahnen der Elektronen unter der Einwirkung desLaserfelds berechnet werden (Abb. 3). Besonders interessant sind dabeivor allem die Bahnen der Elektronen, die während desIonisationsprozesses zum Ionenrumpf zurückkehren. Je nachdem, ob dasElektron mit dem Atom rekombiniert, streut oder durch Stoß mit einemanderen Elektron des Atoms weiter ionisiert, ergeben sich die dreierwähnten Phänomene: also die Erzeugung energiereicher Photonen undElektronen sowie mehrfach geladener Ionen. Diese einfache undeinheitliche Erklärung höchst kompliziert erscheinender Effekte hatdem klassischen Modell schnell zum Durchbruch verholfen, umso mehr, daes sogar korrekte quantitative Vorhersagen liefert. Die Anwendungklassischer Konzepte hat bei den hohen Feldstärken teilweise denVorteil, da unter diesen Bedingungen Quanteneffekte in den Hintergrundtreten können.

Abbildung 3: Das atomare Potential wird durch das Lichtfeldstark deformiert. Gezeigt ist die Potentialfläche eines Atoms unterder Einwirkung einer elliptisch polarisierten Welle für 3 Zeitpunkteinnerhalb einer optischen Periode. Die Phasen dieser Zeitpunkte sindzusammen mit der Polarisationsellipse im oberen linken Rand derPotentialbilder skizziert. Für zwei Fälle sind die klassischenTrajektorien der Photoelektronen eingezeichnet.


Trotzdem blieben die konzeptionellen Schwächen dieser Theorie - manbefand sich in einer Situation, die an die Frühzeit derQuantenmechanik und das Bohrsche Atommodell erinnerte. Inzwischenzeigten mehrere Experimente die Grenzen des klassischen Modellsdadurch auf, dass Interferenzstrukturen in Photoelektronenspektrennachgewiesen wurden. Abb. 4 zeigt winkelaufgelöste Energie-Spektrenbei elliptisch polarisierten Femtosekundenlaserpulsen. Ein Schnittdurch diese Graphik bei 0° entspricht einem Spektrum, das durchElektronenemission parallel zur großen Hauptachse derPolarisationsellipse entsteht, während Schnitte bei ± 90°Elektronenemission senkrecht dazu darstellen. Bemerkenswert an dieserMessung ist, dass das Spektrum in der Nähe der 0°-Richtungaufgespalten ist. Diese Struktur ist als Interferenzerscheinung zudeuten.

Abbildung 4: Winkelaufgelöstes Photoelektronenspektrum beielliptischer Laserpolarisation. Die höhenlinienartigen Konturendeuten die Absorption einer entsprechenden Anzahl von Photonenoberhalb der Ionisationsenergie an. Die charakteristische Aufspaltungdes hochenergetischen Teils des Spektrums ist ein Interferenzeffekt.Dieser Interferenzeffekt kommt dadurch zustande, dass bei derIonisation jeweils zwei verschiedene Elektronenbahnen möglich sind,die nach dem Muster eines Doppelspaltexperiments miteinanderinterferieren.


Damit rückte eine quantenmechanische Behandlung des Problems vonAtomen in starken Laserfeldern wieder in den Brennpunkt. Ausgehend vomunbestreitbaren Erfolg der klassischen Methoden lag die Verwendungderjenigen Formulierung der Quantenmechanik nahe, die sich an die derklassische Physik am engsten anlehnt: das Feynmansche Pfadintegral. Esberücksichtigt alle denkbaren Trajektorien und verallgemeinert dasKonzept der Trajektorie dahingehend, dass diese entsprechend der mitihnen verbundenen Wirkung eine Phase erhält und komplexe Werteannehmen kann. Ersteres stellt die Interferenzfähigkeit sicher,letzteres lässt auch die Beschreibung der für die Quantenmechanikcharakteristischen Tunnelphänomene zu. Die Elektronenbahnen derklassischen Theorie finden wir folgerichtig näherungsweise als dieRealteile derjenigen Quantentrajektorien wieder, für die jene obenerwähnte Phase stationär wird.


Abbildung 5: ATI-Spektrum bei elliptischer Polarisation füreine Emissionsrichtung 30° geneigt gegen die große Halbachse derPolarisationsellipse. Bemerkenswert ist die stufenartige Form desSpektrums. Die Stufen können den skizzierten Paaren vonQuantentrajektorien zugeordnet werden. (Naturgemäß sind nur dieRealteile dieser Trajektorien dargestellt.) Im oberen Teil des Bildeszeigt ein Cartoon ballistische Bahnen, die auf zwei verschiedenenWegen zum selben Ergebnis führen. In der Quantenphysik ergeben solcheBahnen Interferenzerscheinungen, wie sie in der Photoionisation (Abb.4) beobachtet werden.


Besonders eindrucksvoll kann die Signifikanz dieser Methode in denFällen demonstriert werden, in denen nur wenige Trajektorien zu einerbestimmten Übergangsamplitude - das heißt, beispielsweise zubestimmten Elektronen in einem ATI-Spektrum - beitragen. In der inAbb. 5 gezeigten Messung gelang dies durch die Verwendung elliptischerPolarisation und Auswahl einer Elektronen-Emissionsrichtung, die vonder Hauptachse der Polarisationsellipse um 30° abwich. Das sichergebende Spektrum hat eine stufenartige Form. Die Rechnung zeigt,dass jede dieser Stufen einem einzigen Paar Elektronentrajektorienzugeordnet werden kann. Interferenzeffekte kann man immer dannbeobachten, wenn mindestens zwei für den Beobachter nichtunterscheidbare Pfade zum selben Endzustand führen. Hier trifft dasauf die beiden Trajektorien der gezeigten Paare zu (siehe Abb. 5).

Die Feynmansche Pfadintegral-Formulierung der Quantenmechanik istüber 50 Jahre alt; sie ist äquivalent zur Schrödingergleichung.Anwendung hat sie bisher fast ausschließlich in kompliziertenQuantenfeldtheorien zur Herleitung exakter Gleichungen gefunden.Nunmehr zeigt sich, dass sie auch für Atome in intensivenLaserfeldern eingesetzt werden kann.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Herbert Walther
Max-Planck-Institut fürQuantenoptik
AbteilungLaserphysik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching
Ludwig-Maximilians-UniversitätMünchen
Sektion Physik
Tel.: 0 89 / 3 29 05 - 7 04
Fax: 0 89 / 3 29 05 - 7 10
E-Mail: herbert.walther@mpq.mpg.de

Dr. Gerhard Paulus
Max-Planck-Institut fürQuantenoptik
AbteilungLaserphysik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching
Tel.: 0 89 / 3 29 05 - 2 93
Fax: 0 89 / 3 29 05 - 2 00
E- Mail: gerhard.paulus@mpq.mpg.de

Pressedienst |

Weitere Berichte zu: ABB Elektron Erzeugung Trajektorien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Geschichte der Sternentstehung auf kosmischen Skalen: Sternen-Rohmaterial in fernen Galaxien
23.09.2016 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht ALMA enthüllt die Geheimnisse eines riesigen Gasklumpens im Weltraum
21.09.2016 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Synthese-chemischer Meilenstein: Neues Ferrocenium-Molekül entdeckt

Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben zusammen mit Kollegen der Freien Universität Berlin ein neues Molekül entdeckt: Die Eisenverbindung in der seltenen Oxidationsstufe +4 gehört zu den Ferrocenen und ist äußerst schwierig zu synthetisieren.

Metallocene werden umgangssprachlich auch als Sandwichverbindungen bezeichnet. Sie bestehen aus zwei organischen ringförmigen Verbindungen, den...

Im Focus: Neue Entwicklungen in der Asphären-Messtechnik

Kompetenzzentrum Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung (CC UPOB) lädt zum Expertentreffen im März 2017 ein

Ob in Weltraumteleskopen, deren Optiken trotz großer Abmessungen nanometergenau gefertigt sein müssen, in Handykameras oder in Endoskopen − Asphären kommen in...

Im Focus: Mit OLED Mikrodisplays in Datenbrillen zur verbesserten Mensch-Maschine-Interaktion

Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP arbeitet seit Jahren an verschiedenen Entwicklungen zu OLED-Mikrodisplays, die auf organischen Halbleitern basieren. Durch die Integration einer Bildsensorfunktion direkt im Mikrodisplay, lässt sich u.a. die Augenbewegung in Datenbrillen aufnehmen und zur Steuerung von Display-Inhalten nutzen. Das verbesserte Konzept wird erstmals auf der Augmented World Expo Europe (AWE), vom 18. – 19. Oktober 2016, in Berlin, Stand B25 vorgestellt.

„Augmented Reality“ (erweiterte Realität) und „Wearable Displays“ (tragbare Displays) sind Schlagworte, denen man mittlerweile fast täglich begegnet. Beide...

Im Focus: OLED microdisplays in data glasses for improved human-machine interaction

The Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP has been developing various applications for OLED microdisplays based on organic semiconductors. By integrating the capabilities of an image sensor directly into the microdisplay, eye movements can be recorded by the smart glasses and utilized for guidance and control functions, as one example. The new design will be debuted at Augmented World Expo Europe (AWE) in Berlin at Booth B25, October 18th – 19th.

“Augmented-reality” and “wearables” have become terms we encounter almost daily. Both can make daily life a little simpler and provide valuable assistance for...

Im Focus: Künstliche Intelligenz ermöglicht die Entdeckung neuer Materialien

Mit Methoden der künstlichen Intelligenz haben Chemiker der Universität Basel die Eigenschaften von rund 2 Millionen Kristallen berechnet, die aus vier verschiedenen chemischen Elementen zusammengesetzt sind. Dabei konnten die Forscher 90 bisher unbekannte Kristalle identifizieren, die thermodynamisch stabil sind und als neuartige Werkstoffe in Betracht kommen. Das berichten sie in der Fachzeitschrift «Physical Review Letters».

Elpasolith ist ein glasiges, transparentes, glänzendes und weiches Mineral mit kubischer Kristallstruktur. Erstmals entdeckt im El Paso County (USA), kann man...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Einsteins Geburtsstadt wird für eine Woche Hauptstadt der Physik

23.09.2016 | Veranstaltungen

Industrie und Wissenschaft diskutieren künftigen Mobilfunk-Standard 5G auf Tagung in Kassel

23.09.2016 | Veranstaltungen

Fachgespräch Feste Biomasse diskutiert Fragen zum Thema "Qualitätshackschnitzel"

23.09.2016 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Korallenthermometer muss neu justiert werden

23.09.2016 | Biowissenschaften Chemie

Doppel-Infektion macht Erreger aggressiver

23.09.2016 | Biowissenschaften Chemie

Synthese-chemischer Meilenstein: Neues Ferrocenium-Molekül entdeckt

23.09.2016 | Biowissenschaften Chemie