Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laser-Metronom ermöglicht Rekord-Synchronisation

12.01.2017

Mit einem hochpräzisen Laser-Metronom haben Forscher bei DESY erstmals ein kilometergroßes Netzwerk mit einer Genauigkeit im Attosekunden-Bereich synchronisiert. Ein optischer Taktgeber ermöglichte in einem 4,7 Kilometer großen Testnetzwerk für Laser- und Mikrowellen-Signale eine über mehrere Stunden stabile Synchronisation auf 950 Attosekunden genau, wie das Team um DESY-Forscher Prof. Franz X. Kärtner im Fachblatt „Light: Science & Applications“ berichtet. Damit war das Timing etwas besser als auf ein Milliardstel einer millionstel Sekunde. So ein hochpräziser Takt ermöglicht exakte Serien von Röntgen-Schnappschüssen ultraschneller dynamischer Prozesse in der Welt der Atome und Moleküle.

„Für viele Forschungsfelder ist eine extrem hohe Zeitgenauigkeit von Bedeutung“, betont Kemal Şafak, einer der Hauptautoren und Doktorand in Kärtners Gruppe am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg.


Modengekoppelte Laser können extrem genaue sogenannte optische Puls-Züge erzeugen, die sich als hochpräzise Taktgeber eignen.

Bild: DESY/Polina Şafak


Blick auf einen Teil des Laser-Aufbaus im Labor.

Bild: DESY/Kemal Şafak

„Beispielsweise erfordern manche Geodäsie-Aufgaben eine Signal-Synchronisation mit Pikosekunden-Genauigkeit, das ist eine billionstel Sekunde. Hochpräzise Satellitennavigation benötigt eine noch höhere Präzision von bis zu 40 Femtosekunden, genau wie etwa der Zusammenschluss mehrerer Teleskope in der Astronomie.“ Eine Femtosekunde ist eine billiardstel Sekunde, das entspricht 1000 Attosekunden (trillionstel Sekunden).

Mit sogenannten Freie-Elektronen-Röntgenlasern (X-ray Free-Electron Lasers, XFEL) wie dem European XFEL, der in diesem Jahr in Betrieb geht und dessen Hauptgesellschafter DESY ist, möchten Forscher extrem schnelle Prozesse im Nanokosmos beobachten, etwa wie Biomoleküle ihre Struktur ändern oder wie chemische Reaktionen im Detail ablaufen.

„Röntgenlicht ermöglicht eine exzellente räumliche Auflösung auf atomarem Maßstab“, erläutert Şafak. „Die Herausforderung liegt darin, die nötige Zeitauflösung im Attosekundenbereich zu erreichen, in dem sich wichtige molekulare und atomare Prozesse abspielen.“

DESYs Pionier-Röntgenlaser FLASH erreicht bereits eine anlagenweite Synchronisation mit einer beeindruckenden Präzision von 30 Femtosekunden. Das ermöglicht etwa sehr exakt gesteuerte sogenannte Pump-Probe-Experimente, bei denen ein dynamischer Prozess – beispielsweise eine chemische Reaktion – von einem Laserpuls gestartet wird (Pump) und mit einem zweiten, präzise verzögerten Laserpuls untersucht wird (Probe).

Wiederholt man dieses Experiment viele Male mit steigender Verzögerung zwischen den beiden Pulsen, ergibt sich eine Serie von Schnappschüssen, die den zeitlichen Verlauf der untersuchten Reaktion zeigt und sich zu einem Superzeitlupenfilm kombinieren lässt. Ohne präzise Synchronisation zwischen den Pulsen ließe sich die Dynamik nicht klar auflösen.

„Wenn wir eine noch höhere Präzision erreichen können, verspräche dies komplett neue wissenschaftliche Einblicke in molekulare und atomare Prozesse, die auf der Attosekunden-Zeitskala stattfinden“, erläutert DESY-Forscher Kärtner, der auch Professor an der Universität Hamburg ist und eine Forschungsgruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) leitet, wo er vor mehr als zehn Jahren begonnen hat, an hochpräzisen Taktgeber-Systemen zu arbeiten. „Es wird erwartet, dass dies viele Forschungsfelder revolutionieren wird, von der Strukturbiologie über die Materialforschung und Chemie bis zur physikalischen Grundlagenforschung.“

„Anlagen wie Röntgenlaser oder Atto-Forschungszentren benötigen eine systemweite Synchronisierung von Dutzenden optischen und Mikrowellensignalen mit Attosekunden-Genauigkeit, oft über kilometerlange Distanzen,“ betont Kärtner. Zu diesem Zweck haben die Forscher ein optisches Synchronisationssystem entwickelt, das die extrem rauscharmen Puls-Züge sogenannter modengekoppelter Laser als Takt nutzt. Mit Hilfe speziell stabilisierter Glasfaserverbindungen konnten sie das Taktsignal über lange Strecken von einem zentralen Zeitgeber zu zahlreichen Stationen übertragen, wo sich auf diese Weise eine robuste Synchronisation mit entfernten optischen und Mikrowellenquellen erreichen ließ.

Durch die Entwicklung spezieller Detektoren, durch die gezielte Unterdrückung von Nichtlinearitäten in den Glasfasern sowie mit Hilfe neuer Techniken zur Rauschminimierung haben die Forscher schließlich im Labor eine über 18 Stunden stabile Takt-Präzision von 950 Attosekunden in einem 4,7 Kilometer langen Laser-Mikrowellen-Netzwerk gemessen. „Nach unserem Wissen ist es das erste Mal, dass eine Synchronisation mit einer besseren Genauigkeit als eine Femtosekunde zwischen räumlich entfernten modengekoppelten Lasern und Mikrowellenoszillatoren auf dem Maßstab einer kompletten Anlage für längere Zeit erreicht wurde“, sagt Şafak.

„Das Laser-Mikrowellen-Netzwerk mit Attosekunden-Präzision wird den Röntgenlasern der nächsten Generation und anderen Forschungsanlagen eine bis dato unerreichte zeitliche Genauigkeit ermöglichen, so dass sie ihr volles Potenzial entfalten können“, unterstreicht Kärtner. „Das wird die wissenschaftlichen Bemühungen vorantreiben, molekulare Filme auf der Attosekunden-Skala aufzunehmen, und damit viele neue Einblicke in Biologie, Arzneimittelentwicklung, Chemie, Grundlagenphysik und Materialforschung eröffnen. Daneben wird erwartet, dass diese Technik auch in vielen anderen Bereichen an der Forschungsfront Verwendung findet, die auf eine hohe Zeitauflösung angewiesen sind – etwa beim Vergleich ultrastabiler Atomuhren, in der Gravitationswellenastronomie oder zur Zusammenschaltung kohärenter optischer Antennenfelder.“

Die Experimente haben in den Laserlaboren des Centers for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg stattgefunden. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. An der Arbeit waren Forscher von DESY, der Universität Hamburg und vom MIT beteiligt.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

###

Originalveröffentlichung
Attosecond precision multi-kilometer laser-microwave network; Ming Xin, Kemal Şafak, Michael Y. Peng, Aram Kalaydzhyan, Wenting Wang, Oliver D. Mücke, and Franz X. Kärtner
„Light: Science & Applications”, 2017; DOI: 10.1038/lsa.2016.187

Weitere Informationen:

http://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=1156&... - Pressemitteilung und Bildmaterial
http://aap.nature-lsa.cn:8080/cms/accessory/files/AAP-lsa2016187.pdf - Originalveröffentlichung (pdf)

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

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: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Im Focus: Das VLT der ESO arbeitet erstmals wie ein 16-Meter-Teleskop

Erstes Licht für das ESPRESSO-Instrument mit allen vier Hauptteleskopen

Das ESPRESSO-Instrument am Very Large Telescope der ESO in Chile hat zum ersten Mal das kombinierte Licht aller vier 8,2-Meter-Hauptteleskope nutzbar gemacht....

Im Focus: Neuer Quantenspeicher behält Information über Stunden

Information in einem Quantensystem abzuspeichern ist schwer, sie geht meist rasch verloren. An der TU Wien erzielte man nun ultralange Speicherzeiten mit winzigen Diamanten.

Mit Quantenteilchen kann man Information speichern und manipulieren – das ist die Basis für viele vielversprechende Technologien, vom hochsensiblen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Auf der grünen Welle in die Zukunft des Mobilfunks

16.02.2018 | Veranstaltungen

Smart City: Interdisziplinäre Konferenz zu Solarenergie und Architektur

15.02.2018 | Veranstaltungen

Forschung für fruchtbare Böden / BonaRes-Konferenz 2018 versammelt internationale Bodenforscher

15.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

17.02.2018 | Energie und Elektrotechnik

Stammbaum der Tagfalter erstmalig umfassend neu aufgestellt

16.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Strategien zur Behandlung chronischer Nierenleiden kommen aus der Tierwelt

16.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics