Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ungewöhnliche Symmetrie: Physiker kontrollieren Elektronen mit ultraschnellen Laserpulsen

12.02.2019

Symmetrien sind in der Natur allgegenwärtig – etwa die Spiegelsymmetrie der Hände oder die sechszählige Symmetrie einer Schneeflocke. Oldenburger Physikern ist es erstmals gelungen, in Experimenten gezielt Elektronenwellen zu erzeugen, die eine in der Natur seltene siebenzählige Symmetrie aufweisen. Der konkrete Vorgang heißt Photoionisation. Dabei wird ein Elektron mit Hilfe von Licht aus einem Atom oder Molekül gelöst, ähnlich wie der erste Schritt der Stromerzeugung in Solarzellen. Die Ergebnisse sind online im Fachmagazin Nature Communications erschienen. Sie könnten dazu beitragen, neuartige und ultraschnell steuerbare Elektronenquellen mit ungewöhnlichen Eigenschaften bereitzustellen.

Bereits vor gut zwei Jahren konnten die Oldenburger Experimentalphysiker zeigen, dass sie mit Hilfe extrem kurzer Laserpulse die Ladungstrennung, also das Herauslösen eines Elektrons aus einem Atom, für die Erzeugung von Elektronenwirbeln nutzen können. „Nun sind wir noch einen Schritt weiter“, sagt Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt, Leiter der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Kohärente Dynamik (ULTRA).


Tomographische Rekonstruktion der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der ausgesendeten Photoelektronen bei unterschiedlichen Laserpulsformen, die durch Überlagerung zweier Laserpulse entstehen.

Matthias Wollenhaupt/ Universität Oldenburg

„Unsere Experimente zeigen, dass es mit Hilfe modernster Lasertechniken gelingt, die Eigenschaften der bei der Photoionisation ausgesendeten Elektronen hochpräzise zu kontrollieren. Elektronenwellen mit siebenzähliger Symmetrie hat bisher noch niemand im Experiment beobachtet.“

Der Schlüssel hierzu sind maßgeschneiderte Laserblitze von der Dauer einiger Femtosekunden, also billiardstel Sekunden. Zum Vergleich: In drei Sekunden – also der Zeitspanne, die der Mensch als einen zusammenhängenden Moment wahrnimmt – vergehen etwa so viele Femtosekunden, wie Minuten seit Bestehen des Universums vergangen sind.

Dank neuartiger experimenteller Techniken können Forscher solche Laserblitze, auch Pulse genannt, in Raum und Zeit gezielt manipulieren: Durch Überlagerung zweier Laserpulse verschiedener Farbe sind die Oldenburger Physiker in der Lage, in ihrem Experiment nahezu beliebige gerad- oder ungeradzahlige Symmetrien des Strahlungsfeldes zu herzustellen. Auf diese Weise erzeugten sie beispielsweise nach Belieben abstimmbare propellerförmige oder herzförmige Laserpulsformen.

Den Forschern ist es nun erstmals gelungen, diese ungewöhnlichen Symmetrieeigenschaften der Laserpulse gezielt auf Elektronenwellen zu übertragen. Dafür bestrahlten sie ein Ensemble von Natrium-Atomen mit speziell eingestellten Laserfeldern. Natrium-Atome sind dank ihres Aufbaus für solche Experimente besonders geeignet, denn sie besitzen nur ein einziges Elektron in ihrer äußeren Hülle.

„Die Ergebnisse offenbaren ein überraschendes Wechselspiel zwischen den Symmetrien des Laserfeldes und den beobachteten Eigenschaften der Elektronenwellen“, sagt Stefanie Kerbstadt, die ebenfalls an der Arbeit beteiligt war. Neben der siebenzähligen Symmetrie der Elektronen konnten die Physiker dabei die Photoelektronen auch halbmondförmig lokalisieren oder zu einem Wirbel formen.

Diese ultraschnelle Prozesse beobachteten die Forscher mit einer tomographische Methode, die sie selbst entwickelt haben: Ähnlich wie in der medizinischen Computertomographie entstehen dabei dreidimensionale Bilder, die das komplexe Geschehen der Ladungstrennung sichtbar machen. Dabei messen die Physiker die sogenannten Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen, also wie sich die Elektronen in Millionen von Beobachtungen verhalten.

„Mit unseren Experimenten wollen wir grundlegend verstehen, wie man mit zeitlich strukturierten, sogenannten polarisationsgeformten, Laserpulsen die Wechselwirkung von Licht und Materie im Innersten kontrollieren kann“, sagt Experimentalphysiker Wollenhaupt.

Zwar seien natürliche Prozesse, etwa die Wechselwirkung des Lichts mit großen Molekülen, deutlich komplexer als die Photoionisation von Atomen unter Laborbedingungen. Der zugrundeliegende physikalische Mechanismus sei dennoch auf andere Bereiche der Physik übertragbar, betont er.

Ladungsträger kontrolliert auszusenden könnte beispielsweise helfen, elektrische Ströme ultraschnell zu schalten und zu steuern oder neuartige Elektronenquellen für die Grundlagenforschung zu entwickeln. Ziel der Oldenburger Physiker ist zudem, die Erzeugung von noch kürzeren Laserpulsen im Bereich von Attosekunden, also einer tausendstel Femtosekunde, mit diesen neuartigen Laserpulsen zu kontrollieren.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt, Institut für Physik
Tel.: +49 (0)441 798-3572
E-Mail: matthias.wollenhaupt@uol.de

Originalpublikation:

S. Kerbstadt, K. Eickhoff, T. Bayer & M. Wollenhaupt (2019): Odd electron wave packets from cycloidal ultrashort laser fields. Nature Communications 10, 658. DOI: 10.1038/s41467-019-08601-7

Weitere Informationen:

http://uol.de/physik/
http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-08601-7

Dr. Corinna Dahm-Brey | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-oldenburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Physiker gelingt erstmalig Vorstoß in höhere Dimensionen
19.02.2019 | Universität Rostock

nachricht Neue Himmelskarte veröffentlicht
19.02.2019 | Universität Bielefeld

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: Diamanten, die besten Freunde der Quantenwissenschaft - Quantenzustand in Diamanten gemessen

Mithilfe von Kunstdiamanten gelang einem internationalen Forscherteam ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Hightech-Anwendung von Quantentechnologie: Erstmals konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen den Quantenzustand eines einzelnen Qubits in Diamanten elektrisch zu messen. Ein Qubit gilt als die Grundeinheit der Quanteninformation. Die Ergebnisse der Studie, die von der Universität Ulm koordiniert wurde, erschienen jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Science.

Die Quantentechnologie gilt als die Technologie der Zukunft. Die wesentlichen Bausteine für Quantengeräte sind Qubits, die viel mehr Informationen verarbeiten...

Im Focus: Wasser ist homogener als gedacht

Um die bekannten Anomalien in Wasser zu erklären, gehen manche Forscher davon aus, dass Wasser auch bei Umgebungsbedingungen aus einer Mischung von zwei Phasen besteht. Neue röntgenspektroskopische Analysen an BESSY II, der ESRF und der Swiss Light Source zeigen jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Bei Raumtemperatur und normalem Druck bilden die Wassermoleküle ein fluktuierendes Netz mit durchschnittlich je 1,74 ± 2.1% Donator- und Akzeptor-Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül, die eine tetrahedrische Koordination zwischen nächsten Nachbarn ermöglichen.

Wasser ist das „Element“ des Lebens, die meisten biologischen Prozesse sind auf Wasser angewiesen. Dennoch gibt Wasser noch immer Rätsel auf. So dehnt es sich...

Im Focus: Licht von der Rolle – hybride OLED ermöglicht innovative funktionale Lichtoberflächen

Bislang wurden OLEDS ausschließlich als neue Beleuchtungstechnologie für den Einsatz in Leuchten und Lampen verwendet. Dabei bietet die organische Technologie viel mehr: Als Lichtoberfläche, die sich mit den unterschiedlichsten Materialien kombinieren lässt, kann sie Funktionalität und Design unzähliger Produkte verändern und revolutionieren. Beispielhaft für die vielen Anwendungsmöglichkeiten präsentiert das Fraunhofer FEP gemeinsam mit der EMDE development of light GmbH im Rahmen des EU-Projektes PI-SCALE auf der Münchner LOPEC (19. bis 21. März 2019), erstmals in Textildesign integrierte hybride OLEDs.

Als Anbieter von Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen auf dem Gebiet der organischen Elektronik setzt sich das Fraunhofer FEP schon lange mit der...

Im Focus: Light from a roll – hybrid OLED creates innovative and functional luminous surfaces

Up to now, OLEDs have been used exclusively as a novel lighting technology for use in luminaires and lamps. However, flexible organic technology can offer much more: as an active lighting surface, it can be combined with a wide variety of materials, not just to modify but to revolutionize the functionality and design of countless existing products. To exemplify this, the Fraunhofer FEP together with the company EMDE development of light GmbH will be presenting hybrid flexible OLEDs integrated into textile designs within the EU-funded project PI-SCALE for the first time at LOPEC (March 19-21, 2019 in Munich, Germany) as examples of some of the many possible applications.

The Fraunhofer FEP, a provider of research and development services in the field of organic electronics, has long been involved in the development of...

Im Focus: Laserverfahren für funktionsintegrierte Composites

Composites vereinen gewinnbringend die Vorteile artungleicher Materialien – und schöpfen damit zum Beispiel Potentiale im Leichtbau aus. Auf der JEC World 2019 im März in Paris präsentieren die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein breites Spektrum an laserbasierten Technologien für die effiziente Herstellung und Bearbeitung von Verbundmaterialien. Einblicke zu Füge- und Trennverfahren sowie zur Oberflächenstrukturierung erhalten Besucher auf dem Gemeinschaftsstand des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau AZL, Halle 5A/D17.

Experten des Fraunhofer ILT erforschen und entwickeln Laserprozesse für das wirtschaftliche Fügen, Schneiden, Abtragen oder Bohren von Verbundmaterialien –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung rund um zuverlässige Verbindungen

20.02.2019 | Veranstaltungen

LastMileLogistics Conference in Frankfurt befasst sich mit Lieferkonzepten für Ballungsräume

19.02.2019 | Veranstaltungen

Bildung digital und multikulturell: Große Fachtagung GEBF findet an der Uni Köln statt

18.02.2019 | Veranstaltungen

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

Wie Pflanzen lernten, Wasser zu sparen

21.02.2019 | Biowissenschaften Chemie

Neurodermitis: erhöhte Salzkonzentration in erkrankter Haut

21.02.2019 | Biowissenschaften Chemie

Neues Trocknungsverfahren für Batterieproduktion

21.02.2019 | Energie und Elektrotechnik

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