Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Trotz Trägheit in Aktion beobachtet

04.02.2016

Mit Hilfe der Erzeugung der ersten optischen Attosekundenpulse bestimmten Wissenschaftler aus dem Labor für Attosekundenphysik die Zeitspanne, die Elektronen in Atomen benötigen, um auf die elektromagnetischen Kräfte des Lichtes zu reagieren.

Im Wettlauf um immer schnellere Elektronik könnte Licht eine wichtige Rolle spielen. So ver-folgen Physiker z.B. das Ziel, mit kurzen Lichtpulsen einer präzise kontrollierten Wellenform elektrische Ströme in Schaltkreisen mit Lichtfrequenzen zu steuern.


Optische Attosekundenblitze fangen die Bewegung träger Elektronen ein.

Graphik: Christian Hackenberger

Aber werden die Elektronen in den Schaltkreisen den Lichtschwingungen unmittelbar folgen? Wie schnell werden sie auf das Drücken eines „licht-basierten“ Knopfes reagieren? Oder, ganz grundsätzlich gefragt: wie schnell sprechen Elektronen, die in Atomen, Molekülen oder Festkörpern ge-bunden sind, auf die Einstrahlung von Licht an?

Jetzt hat ein internationales Wissenschaft-lerteam unter der Leitung von Dr. Eleftherios Goulielmakis, Leiter der Forschungsgruppe „Attoelectronics“ am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, zusammen mit Forschern der Texas A&M University (USA) und der Staatlichen Lomonossow Universität Moskau (Russ-land) erstmals einen solchen Verzögerungseffekt gemessen. Dabei regten sie mit optischen Attosekunden-Lichtpulsen Krypton-Atome an und beobachteten, dass es ungefähr 100 Atto-sekunden dauert, bis sich die Reaktion der Elektronen auf die elektromagnetischen Kräfte des Lichtes bemerkbar macht. (Nature, 4. Februar 2016, DOI: 10.1038/nature16528)

Nach den Vorhersagen der Quantenmechanik benötigen selbst die leichtesten Teilchen außerhalb des Atomkerns, die Elektronen, eine bestimmte, wenn auch sehr kurze Zeitspanne, um auf die Kräf-te von Licht zu reagieren. Dabei handelt es sich nur um einige 10 oder 100 Attosekunden (1 as ist ein Milliardstel von einer milliardstel Sekunde), weshalb dieser Prozess bislang als unmessbar schnell galt.

„Eine Voraussetzung dafür, ein so kurzes Ereignis einzufangen, ist ein Lichtblitz, der die Elektronen extrem schnell in Bewegung versetzt – im Fachjargon „polarisiert“ – und so ihre Reaktionszeit testet“, erklärt Dr. Mohammed Hassan aus der Forschungsgruppe von Dr. Goulielmakis. So einen Lichtblitz stellen die Wissenschaftler mit einem sogenannten „light-field synthesizer“ her.

Dabei manipulieren sie die Eigenschaften des sichtbaren, nah-infraroten und ultravioletten Lichtes so, dass sie daraus dann einen Lichtpuls im sichtbaren Bereich mit einer Länge von nur 380 Attosekunden zusammensetzen können. Die Pulse sind so kurz, dass sie kaum mehr als eine halbe Schwingung des Lichtfeldes mit sich führen und sind damit die kürzesten je im sichtbaren Bereich erzeugten Pulse. „Wir können sichtbares Licht nicht nur mit Attosekunden-Präzision manipulieren, sondern seine Wellen auch auf Attosekunden-Zeitintervalle beschränken“, erläutert Dr. Tran Trung Luu, Wissenschaftler im Team von Dr. Gouliemakis.

Mit diesem neuen Werkzeug verfügten die Wissenschaftler über eine Methode, Krypton-Atome mit optischen Attosekunden-Pulsen anzuregen. Durch Variation von Intensität und Phase der jeweiligen Pulse erreichten sie, dass in verschiedenen Experimenten leicht unterschiedliche Kräfte auf die Elektronen in den Atomen wirkten. Anhand der daraufhin von den Elektronen emittierten Vakuum-Ultraviolett-Strahlung konnten sie erkennen, wie die Elektronen darauf reagieren. Daraus konnten sie ableiten, dass es etwa 100 Attosekunden dauert, bis die Elektronen auf die Kraft des Lichtes ansprechen.

“Unsere Untersuchung setzt einen Schlussstrich unter die Jahrzehnte währende Debatte über die fundamentale Dynamik der Licht-Materie-Wechselwirkung. In den letzten Dekaden waren wir bereits in der Lage, sowohl die Drehbewegungen als auch die Kernbewegungen in Molekülen mit der Femtosekundentechnologie aufzudecken. Jetzt können wir erstmals auch die Reaktion der in den Atomen gebundenen Elektronen in Echtzeit verfolgen“, betont Dr. Goulielmakis. „Aber gleichzeitig stehen wir am Beginn einer neuen Epoche, in der wir Materie über die Beeinflussung von Elektronen untersuchen und manipulieren werden.“

Einer der nächsten Schritte, die Goulielmakis und sein Team planen, ist die Ausdehnung dieser Untersuchungen auf die Elektronendynamik in Festkörpern. „Damit werden wir herausfinden, auf welchem Weg wir am besten neuartige ultraschnelle Elektronik und Photonik realisieren können, die auf Zeitskalen von wenigen Femtosekunden (1 fs entspricht 10hoch-15 s) und mit Petahertz-Taktfrequenzen (10hoch15 Hz) arbeiten“, führt Goulielmakis aus. Olivia Meyer-Streng

Originalveröffentlichung:
M. Th. Hassan, T. T. Luu, A. Moulet, O. Raskazovskaya, P. Zhokhov, M. Garg, N. Karpowicz, A. M. Zheltikov, V. Pervak, F. Krausz, and E. Goulielmakis
Optical attosecond pulses and tracking the nonlinear response of bound electrons
Nature, 4. Februar 2016, DOI: 10.1038/nature16528

Kontakt:
Dr. Eleftherios Goulielmakis
ERC Forschungsgruppe Attoelectronics
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Labor für Attosekundenphysik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -632 /Fax: -200
E-Mail: Eleftherios.Goulielmakis@mpq.mpg.de
www.attoworld.de/goulielmakis-group

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, D-85748 Garching
Telefon: +49-89-32905-213
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 Speicherdauer von Qubits für Quantencomputer weiter verbessert
09.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Elektronenautobahn im Kristall
09.12.2016 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

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...

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

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie