Laserphysik: Durchbruch nach Feierabend

Ein Elektron wird zunächst befreit, dann aber vom Laserlicht zurück in Richtung auf das Atom beschleunigt. Es trifft auf ein zweites Elektron und beide fliegen gemeinsam davon. (Grafik: Giessen)

 

Marburger und Frankfurter Physikern gelingt vermeintlich aussichtsloses Grundlagenexperiment

Einem Team von Physikern der Universitäten Marburg und Frankfurt am Main ist ein wichtiges Grundlagenexperiment zum Verhalten von Atomen in extrem starken Laserlicht gelungen. Das berichtet die Zeitschrift „Nature“ in ihrer Ausgabe vom 8. Juni. Besonders bemerkenswert erscheint diese Leistung, weil beide Arbeitsgruppen eigentlich auf anderen Gebieten arbeiten und während ihrer Freizeit ein Experiment wagten, das Fachleute für aussichtslos gehalten hätten.

Atome verlieren unter Energiezufuhr einzelne Elektronen – ein Prozess, der in jeder Kerzenflamme oder Leuchtstoffröhre zu beobachten ist. „Normalerweise liegt uns Atomphysik fern“, sagt der Marburger Physiker Dr. Harald Giessen von seiner Arbeitsgruppe. Sie erforscht Halbleiter und Polymere und betreibt in diesem Zusammenhang auch ein Laser-Labor. Auf einer Konferenz über ultraschnelle Laser hörte er dann jedoch den Vortrag eines theoretischen Physikers aus Kanada darüber, dass Atome unter extrem starkem Laserlicht viel häufiger als erwartet ihre Elektronen gleich paarweise verlieren. Um den Mechanismus zu verstehen, müsste man Energiedichten von etwa 1 Billiarde Watt pro Quadratzentimeter erreichen, spekulierte der Theoretiker. Am Lawrence Livermore Laboratorium, wo im Rahmen der US-amerikanischen Rüstungsforschung die stärksten Laser der Welt unterhalten werden, hatte man vergeblich versucht, dieses Experiment durchzuführen. Harald Giessen überschlug die Zahlen auf einem Fetzen Papier und kam zu einem Ergebnis, das ihn selbst verblüffte: Mit seinem Marburger Laser müsste es möglich sein, die für das atom-physikalische Grundlagenexperiment notwendige Energiedichte zu erreichen.

Der Titan-Saphir-Laser im Marburger Halbleiterlabor, finanziert aus Mitteln des Landes Hessens, kann sich nicht im entferntesten mit den gigantischen Lasermaschinen aus Livermore messen. Aber die Marburger Physiker beherrschen zwei Tricks konkurrenzlos gut: Sie können extrem kurze Laserpulse vom Hundertausendstel einer Milliardstel Sekunde Dauer erzeugen und damit die Energie eines Pulses zeitlich um den Faktor eine Million konzentrieren. Und sie können das Laserlicht auf eine so kleine Fläche fokussieren, dass sie damit gleich mehrere Löcher nebeneinander auf eine Haaresbreite brennen könnten, was die Energiedichte im Vergleich zu Konkurrenzgruppen noch einmal um den Faktor 100 steigert. In der Summe können also so Energiedichten erzeugt werden, die 100 Millionen mal größer sind als bei der Konkurrenz, so dass sogar der von dem Theoretiker geforderte Wert erreichbar schien, auch wenn der Marburger Laser in einem Wohnzimmer Platz fände.

Früher hatte man geglaubt, dass Atome auch bei Bestrahlung mit extrem starkem Laserlicht die Elektronen nacheinander verlieren, doch tatsächlich entreißt so ein Lichtblitz Argon-Atomen ihre beiden Elektronen gleich paarweise. Doch zuvor war noch ein zweites Problem zu lösen, denn Elektronen und verbliebene Restatome müssen auch nachgewiesen werden. Das beherrscht wiederum eine Arbeitsgruppe um Dr. Reinhard Dörner von der Universität Frankfurt konkurrenzlos gut. Die Frankfurter Physiker betreiben als einzige in Deutschland einen Detektor, der es erlaubt, gleichzeitig die Elektronenpaare sowie die positiv geladenen Atomreste aufzuspüren und so dem Zerplatzen eines einzelnen Argon-Atoms zuzuordnen. Die Frankfurter Detektorkammer ist überdies transportabel, so dass Giessen und Dörner außerhalb ihrer normalen Tätigkeit eine Zusammenarbeit verabredeten. Die Frankfurter brachten ihren Detektor auf einem Lkw nach Marburg, und in der unglaublich kurzen Zeit von nur sechs Wochen zogen sie die Versuche durch: „Wir haben in drei Schichten rund um die Uhr gearbeitet“, berichtet Harald Giessen, denn jedes Einzelexperiment dauerte mehrere Tage, bis genügend zerplatzte Argon-Atome gezählt waren, um sie statistisch auswerten zu können.

Die Ergebnisse haben für Aufsehen in der Physiker-Gemeinde gesorgt: Nicht nur klappte ein für aussichtslos gehaltenes Experiment, es gelang auch noch einer Arbeitsgruppe, die gar nicht zu den etablierten Spielern auf dem Gebiet gehört. Der Lohn ist eine Veröffentlichung in „Nature“, die in den Naturwissenschaften als die führende Zeitschrift gilt. Jetzt ist klar, warum viel häufiger als erwartet Elektronen von starkem Laserlicht gleich paarweise herausgerissen werden: Am besten stellt man sich die äußeren Elektronen des Argons als Stahlkugeln vor, die auf einem periodisch hin- und herschwankenden Tablett herumrollen. Das elektrische Feld des Laserlichts sorgt für eine zusätzliche Neigung des Tabletts. Bevor aber eine Stahlkugel endgültig herunterfallen kann, neigt sich das Tablett schon wieder zur anderen Seite, und die Kugel rollt zurück. Dabei kann sie auf eine zweite Kugel stoßen, und beide fliegen gemeinsam vom Tablett herunter.

Giessen und Dörner, der jetzt an der Universität Freiburg arbeitet, haben inzwischen auch noch einen zweiten Beleg für diese Modellvorstellung erbringen können. Es ist ihnen gelungen, die Intensität des Laserlichts weiter zu steigern. Auf das Tablett übertragen heißt das, dass es so stark geneigt wird, dass einige Kugeln unkoordiniert schon beim ersten Kippen vom Tablett fallen. Und tatsächlich haben sie messen können, dass Elektronen dann unabhängig voneinander aus den Argon-Atomen gerissen werden. Voraussetzung für den unglaublichen Erfolg ist die hervorragende Geräteausstattung, die durch einen Sonderforschungsbereich in Marburg gegeben ist, eine Portion Dreistigkeit, Begeisterung für Physik selbst noch nach Feierabend und ein Chef (Professor Wolfgang Rühle), der seinen Mitarbeitern die Freiheit gibt, auch einmal über den Tellerrand zu blicken.

Kontakt:

Dr. Harald Giessen

Fachbereich Physik
Arbeitsgruppe Halbleiterphysik
Renthof 5
35032 Marburg
Telefon: 06421 / 28-22122
Fax: 06421 / 28-27036
E-Mail: harald.giessen@physik.uni-marburg.de

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Ulrich Thimm

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