Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein neues Tor zum Mikrokosmos

05.05.2015

Physiker des Labors für Attosekundenphysik haben eine Laserquelle entwickelt, deren Lichtpulse die Grundlagenphysik einen bedeutenden Schritt voranbringen könnte.

Immer besser lassen sich die elementarsten Bewegungen außerhalb des Atomkerns beobachten und kontrollieren. Das geschieht mit extrem kurzen, hochintensiven Laserpulsen. Die Elektronik der Zukunft könnte mit Licht gesteuert werden.


Das LAP-Team hat einen Ytterbium:Yttrium-Aluminium-Granat Scheibenlaser entwickelt, der Lichtpulse mit einer Dauer von 7,7 Femtosekunden und 2,2 Lichtwellenausschlägen aussendet. Diese Pulse verfügen über eine durchschnittliche Leistung von sechs Watt und 0,15 Mikrojoule Pulsenergie, eineinhalb Größenordnungen mehr als kommerziell erhältliche Ti:Sa Laser.

Foto: Thorsten Naeser

Dann würde man die Datenverarbeitungs- und Informationstechnologie mit der Frequenz von Lichtwellenschwingungen betreiben, was in etwa einer 100.000fachen Beschleunigung im Vergleich zu heutiger Technik entspricht.

Eine Weiterentwicklung der heutigen Lasertechnik spielt dabei eine entscheidende Rolle. Eine neue Lichtquelle, die diese Zukunftsszenarien ein Stück weiter Realität werden lässt, hat nun ein Physikerteam vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) entwickelt. Das Team berichtet darüber im Fachmagazin „Nature Communications“.

Bis heute kommen in Forschungslaboren vor allem Laser mit Titan:Saphir-Kristallen (Ti:Sa) zum Einsatz. Mehr als 20 Jahre haben diese Laser die Forschung mit ultrakurzen Laserpulsen dominiert. Das könnte sich ändern, denn immer mehr wird deutlich, dass die Zukunft den Scheibenlaser-Systemen gehört. Hier hat der Laserkristall ein scheibenförmiges Aussehen.

Das LAP-Team hat nun einen Ytterbium:Yttrium-Aluminium-Granat Scheibenlaser (Yb:YAG, Disk-Laser) entwickelt, der Lichtpulse mit einer Dauer von 7,7 Femtosekunden und 2,2 Lichtwellenausschlägen aussendet (Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde). Diese Pulse verfügen über eine durchschnittliche Leistung von sechs Watt und 0,15 Mikrojoule Pulsenergie, eineinhalb Größenordnungen mehr als kommerziell erhältliche Ti:Sa Laser.

Die Wellenform von Licht in Laserpulsen kann man mittlerweile gut kontrollieren. Diese Kontrolle haben die LAP-Physiker bei ihrem neuen System noch einmal verbessert. Die Kontrolle über die Geometrie der elektromagnetischen Lichtwellen ist eine erste Voraussetzung für die gezielte Steuerung von Elektronen in Festkörpern oder einzelnen Atomen und damit einer lichtwellengesteuerten Elektronik.

Die zweite Voraussetzung dafür besteht in der Verkürzung der Lichtblitze auf wenige Femtosekunden. Frühere Experimente des LAP-Teams haben bereits gezeigt, dass es möglich ist, elektrische Ströme mit gezielt geformten elektromagnetischen Wellen, also speziellen Laserpulsen, an- und auszuschalten (Schiffrin, Nat. 2012; Paasch-Colberg, Nat. Photon. 2014, Krausz & Stockman, Nat. Photon 2014). Allerdings ließen sich solche Experimente bisher nur bei Pulswiederholraten von wenigen Tausend pro Sekunde durchführen.

Das ändert sich nun, denn die hohe Wiederholungsrate von mehreren zehn Millionen Pulsen pro Sekunde mit hoher Spitzenleistung aus dem jetzt entwickelten Laser läutet in der Ultrakurzzeit-Physik eine neue Ära ein. Die Ultrakurzzeit-Physik beschäftigt sich u.a. mit der Erkundung von Attosekunden-kurzen Elektronenbewegungen in Molekülen und Atomen.

Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. In diesen Zeiträumen werden Elektronen „fotografiert“. Die „atomare Fotografie“, wie sie in heutigen Attosekundenlaboren stattfindet, erhält damit einen „Sportmodus“.

Das bedeutet, dass seltene Ereignisse im Mikrokosmos, die mit den bisherigen Ti:Sa Systemen nur durch Beobachtung über Stunden, Tage oder sogar nicht zu beobachten waren, mit der neuen Technologie in einem wesentlich kürzeren Messzeitraum detaillierter erfasst werden können. Die Datenraten werden dabei um einen Faktor von 1000 – 100.000 erhöht.

Und auch in der Erkundung elementarster Naturphänomene könnte die neue Lasertechnologie eingesetzt werden. So wird der Laser künftig Lichtblitze generieren, die sich im extremen ultravioletten Bereich des Lichts (60 Nanometer Wellenlänge) befinden. Damit könnte man erstmals zum Beispiel Helium-Ionen anregen und deren Schwingungen pro Sekunde mit der von Prof. Theodor Hänsch entwickelten, mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Frequenzkammtechnik exakt bestimmen. Solche Laserspektroskopie-Experimente dienen etwa dazu, Naturkonstanten zu überprüfen.

Die Scheibenlaser-Technik könnte in naher Zukunft in den Grundlagen-Forschungslaboren der Attosekundenphysik und der Laserspektroskopie Einzug halten. Die LAP-Wissenschaftler öffnen der Physik ein neues Tor zum Mikrokosmos. Thorsten Naeser

Grafik: Das LAP-Team hat einen Ytterbium:Yttrium-Aluminium-Granat Scheibenlaser entwickelt, der Lichtpulse mit einer Dauer von 7,7 Femtosekunden und 2,2 Lichtwellenausschlägen aussendet. Diese Pulse verfügen über eine durchschnittliche Leistung von sechs Watt und 0,15 Mikrojoule Pulsenergie, eineinhalb Größenordnungen mehr als kommerziell erhältliche Ti:Sa Laser.

Originalpublikation:
O. Pronin, M. Seidel, F. Lücking, J. Brons, E. Fedulova, M. Trubetskov, V. Pervak, A. Apolonski, Th. Udem, and F. Krausz.
High-power multi-megahertz source of waveform-stabilised few-cycle light
Nature Communications, 5. Mai 2015; doi: 10.1038/ncomms7988.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Oleg Pronin
Ludwig-Maximilians-Universität München
Telefon: +49 (0)89 289 - 14187
E-Mail: oleg.pronin@physik.uni-muenchen.de

Prof. Ferenc Krausz
Lehrstuhl für Experimentalphysik,
Ludwig-Maximilians-Universität München
Labor für Attosekundenphysik
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1, 85748 Garching
Telefon: +49 (0)89 32 905 - 600 / Fax: - 649
E-Mail: ferenc.krausz@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 32 905 - 213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie