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Schneller als ein Atom schwingen kann

01.07.2013
Physiker der Universität Jena erzeugen hochfrequente Attosekundenblitze für die Grundlagenforschung

Immer leistungsfähigere Mikroskope und spektroskopische Verfahren erlauben heute den Einblick in immer kleinere Dimensionen der Materie.


So entstehen isolierte Attosekundenpulse: Ein Laserpuls (rot) wechselwirkt mit Argonatomen in einem dünnen Gasstrahl und erzeugt dabei einen kurzwelligeren Puls (blau), dessen Dauer im Attosekundenbereich liegt. Abb.: IAP/FSU

Um beispielsweise Vorgänge in Molekülen und Atomen beobachten zu können, braucht es nicht nur Technik mit extrem hoher Auflösung. Da diese Prozesse sehr schnell ablaufen, sind zudem extrem kurze Belichtungszeiten notwendig.

„Wenn wir die genauen Abläufe chemischer Reaktionen, die Bewegungen von Ladungsträgern oder das Wechselspiel von Licht und Materie in Echtzeit beobachten wollen, brauchen wir Belichtungszeiten im Attosekundenbereich“, weiß Prof. Dr. Jens Limpert von der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Der Juniorprofessor vom Institut für Angewandte Physik und seine Kollegen haben dafür jetzt entscheidende Grundlagen geschaffen: Gemeinsam mit Partnern des Jenaer Helmholtz-Instituts, des Max-Born Instituts Berlin und des Imperial College London ist es ihnen erstmals gelungen, isolierte Attosekundenpulse mit noch nie dagewesenen Pulsfolgefrequenzen zu erzeugen.
Wie das Jenaer Forscherteam im renommierten Fachmagazin „Nature Photonics“ schreibt, erreicht es dank eines neuartigen Ansatzes eine Pulsfrequenz im Megahertz-Bereich – mit fast einer Million Pulse pro Sekunde (DOI: 10.1038/nphoton.2013.131).

Dabei entspricht die unvorstellbar kurze Zeitspanne einer Attosekunde dem Milliardsten Teil eines Milliardstels einer Sekunde. „Das heißt, eine Attosekunde dauert im Vergleich zu einer Sekunde nur so lang wie eine Sekunde im Vergleich zum Alter des Universums“, veranschaulicht Limpert. Ihre Attosekundenblitze erzeugen die Physiker, indem sie ultrakurze Laserpulse auf das Edelgas Argon fokussieren. Dabei wird die Strahlung des Lasers in den extrem ultravioletten Wellenlängenbereich verschoben.

Mit bisherigen Lasersystemen konnten jedoch nur wenige tausend Pulse pro Sekunde erzeugt werden. Das mag für den Laien extrem viel klingen – die Physiker konnten damit noch wenig anfangen. „Für die Aufnahme von multidimensionalen Daten wie z. B. hochauflösende Bilder oder sogar Videos von grundlegenden Vorgängen in der Natur werden weitaus höhere Pulswiederholfrequenzen benötigt“, sagt Manuel Krebs, der Erstautor der vorliegenden Studie. Er und seine Kollegen haben einen neuartigen parametrischen Verstärker entwickelt, der mit einem Hochleistungsfaserlaser gepumpt wird.
Damit erreichen die Jenaer Physiker erstmals überhaupt Pulsfrequenzen im Megahertz-Bereich. „Das ist eine Steigerung dieses wichtigen Parameters um einen Faktor von 200“, ordnet Limpert den Erfolg des Jenaer Teams ein und macht deutlich: „Damit sind jetzt völlig neuartige Anwendungen im noch jungen Gebiet der Attosekundenphysik möglich.“ Denkbar seien neue Methoden, wie die zeitaufgelöste Fotoelektronen-Spektroskopie oder sogar extreme Zeitraffer-Aufnahmen von mikroskopischen Vorgängen in der Nanotechnologie.

Original-Publikation:
Krebs, M. et al. Towards isolated attosecond pulses at megahertz repetition rates. Nature Photonics 7, 555–559 (2013). DOI:10.1038/nphoton.2013.131
Kontakt:
Jun.-Prof. Dr. Jens Limpert
Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Albert-Einstein-Straße 15, 07745 Jena
Tel.: 03641 / 947811
E-Mail: jens.limpert[at]uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | Friedrich-Schiller-Universität J
Weitere Informationen:
http://www.uni-jena.de

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