Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schnappschüsse von getriebenen Elektronen

14.03.2011
Physikern des Labors für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist erstmals die Echtzeit-Beobachtung von lasererzeugten Teilchen-Plasmawellen und die durch sie beschleunigten Elektronenpakete gelungen. Sie erläutern ihre Ergebnisse im Wissenschaftsmagazin Nature Physics (13. März 2011).

Schwarmverhalten gibt es nicht nur bei Vögeln, Insekten oder Fischen, auch der Mikrokosmos hat ähnliche Phänomene zu bieten. Einem Team um Ferenc Krausz und seinen Mitarbeitern Laszlo Veisz und Alexander Buck vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) ist es jetzt in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Jena erstmals gelungen, laserbeschleunigte Schwärme von Elektronen im Zusammenspiel mit einer Plasmawelle, die aus positiv geladenen Heliumionen und weiteren Elektronen besteht, zu beobachten.


Künstlerische Darstellung der lasergetriebenen Elektronenbeschleunigung. Ein intensiver Lichtpuls (gelb-orange) erzeugt eine Plasmawelle (weiße modulierte Oberfläche) aus schwingenden Elektronen und stationären Heliumionen. Einige Elektronen lösen sich daraus und fliegen als Schwarm mit nahezu Lichtgeschwindigkeit (rote Kügelchen) hinter dem Laserpuls her. Grafik: Christian Hackenberger


Aus einer kleinen Düse strömen Heliumatome, die von einem Laserpuls ionisiert werden. Dabei entsteht aus Heliumionen und freien Elektronen ein Plasmakanal. In diesem Kanal wird ein Teil der Elektronen bis auf Lichtgeschwindigkeit von dem Lichtblitz beschleunigt. Foto: Thorsten Naeser

Damit haben die Physiker eine Echtzeit-Dokumentation erstellt, wie sich unter Einwirkung von starken Laserpulsen Elektronen zu Bündeln organisieren und sich während des Fluges in ihrem Windschatten verhalten. Die Erkenntnisse erleichtern die Entwicklung von neuen Elektronen- und Lichtquellen, mit denen man etwa die Struktur von Atomen und Molekülen erkundet. In der Medizin helfen die Kenntnisse, neue Röntgenquellen zu entwickeln, deren Auflösung weit besser sein wird als bei aktuellen Geräten.

Wenn kurze Laserpulse zum Beispiel auf Heliumatome treffen, wird deren Struktur gehörig durcheinander gewirbelt. Ist das Licht stark genug, schlägt es aus den Atomen Elektronen heraus, die Heliumatome werden zu Ionen. Die Mischung aus Elektronen und Ionen nennt man Plasma, das unter starkem Lichteinfluss Wellenstrukturen annehmen kann. In der Laserphysik nützt man diesen Prozess unter speziellen Bedingungen um einen kleinen Teil der Elektronen rasant bis nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und zu kontrollieren.

Einem Team vom Labor für Attosekundenphysik am MPQ und an der LMU ist es nun in Kooperation mit Physikern der Uni Jena gelungen, die mit starkem Laserlicht erzeugten Elektronenbündel zusammen mit ihrer treibenden Plasmawelle zu fotografieren.

Bei ihren Experimenten fokussieren die Laserphysiker einen Laserpuls auf eine Gasdüse, aus der die Heliumatome strömen. Der Puls dauert nur wenige Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde, 10-15 Sekunden). Der Lichtblitz besteht aus wenigen Wellenzyklen und rund einer Milliarde Milliarden Lichtteilchen (Photonen). Seine höchste Leistung ist auf einen sehr kurzen Moment innerhalb des Lichtblitzes und eine winzige Fläche komprimiert. Der hochintensive Laserpuls reißt die Elektronen aus den Atomen. In diesem Cocktail sind die Elektronen viel leichter als die Helium-Atomrümpfe, dadurch werden sie zur Seite gedrängt.

Während der Laserpuls über das System hinwegfegt, bleiben die Ionen stationär, die freigewordenen Elektronen oszillieren um einen Ort. Zusammen bilden die Teilchen eine Plasmawelle. Eine Schwingung dieser Struktur dauert rund 20 Femtosekunden.

In der Plasmawelle bilden sich gigantische elektrische Felder, die 1000 Mal stärker sind als jene, die in den größten Teilchenbeschleunigern der Welt erzeugt werden. Ein kleiner Teil der Elektronen macht sich die Felder zunutze, fliegt als Schwarm im Windschatten dem Laserpuls hinterher und beschleunigt bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit. Jedes Elektron verfügt dabei über fast die gleiche Energie.

Das Phänomen ist der Physik schon lange bekannt und in Experimenten nachgewiesen. Bereits 1979 beschrieb der japanische Laserphysiker Toshiki Tajima den Vorgang. Tajima forscht heute im Exzellenzcluster "Munich-Centre for Advanced Photonics". Bisher waren aber nur Einzelbeobachtungen mit reduzierter Auflösung, entweder des Elektronenschwarms oder der gesamten Plasmawelle möglich.

Den Garchinger Laserphysikern ist die kombinierte Dokumentation mit einer hohen Auflösung der Plasmawelle geglückt. In Schnappschüssen festgehalten wurde der Prozess über den gleichen Lichtpuls, der auch die Elektronen beschleunigt. Den Laserpuls hatten die Physiker zuvor gespalten, sodass ein kleiner Teil davon im rechten Winkel auf das System aus freien Elektronen und Ionen auftraf. Dieses Licht wird an der periodisch angeordneten Plasmawelle gebrochen, wobei sich die Brechung verändert und es zum Teil abgelenkt wird.

"Die Ablenkung und damit die Plasmawelle bilden wir als Helligkeitsunterschiede mit einer Kamera ab", erläutert Laszlo Veisz, Forschungsgruppenleiter im LAP-Team. Die Forscher erreichen dabei eine einzigartige räumliche und zeitliche Auflösung im Femtosekunden-Bereich. Der Elektronenschwarm produziert zudem Magnetfelder, die die Physiker ebenfalls aufzeichnen und damit seine Position und Dauer bestimmen. Aus beiden Messmethoden ergibt sich schließlich ein Film der Elektronenbeschleunigung.

"Diese verbesserten Kenntnisse der laser-getriebenen Elektronenbeschleunigung helfen uns, neue Röntgenquellen von bisher nicht erreichter Qualität für die Grundlagenforschung aber auch für die Medizin zu entwickeln", erläutert Ferenc Krausz.

Thorsten Naeser | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.munich-photonics.de
http://www.attoworld.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
17.07.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

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: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

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

Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck

18.07.2018 | Energie und Elektrotechnik

BIAS erhält Bremens größten 3D-Drucker für metallische Luffahrtkomponenten

18.07.2018 | Verfahrenstechnologie

Verminderte Hirnleistung bei schwachem Herz

18.07.2018 | Medizin Gesundheit

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