Prozesse im atomaren Mikrokosmos werden sichtbar
Physikern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ist es gelungen, kontrollierte Elektronenpulse im Attosekundenbereich zu erzeugen. Für ihre Methode nutzen sie optische Wanderwellen, die durch Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge gebildet werden. Mit Attosekundenpulsen könnten Elektronenbewegungen in Atomen sichtbar gemacht werden.
Seit Jahren forschen Wissenschaftler intensiv daran, Elektronenpakete auf möglichst kurzen Zeitskalen zu erzeugen. Solche Pulse machen es möglich, ultraschnelle Bewegungen zu verfolgen – etwa Schwingungen von Atomgittern, Phasenübergänge von Stoffen oder die Molekülbildung bei chemischen Reaktionen. „Je kürzer der Puls, umso schnellere Bewegungen können abgebildet werden“, erklärt Prof. Dr. Peter Hommelhoff, Inhaber des Lehrstuhls für Laserphysik der FAU. „Eine besondere Herausforderung besteht jedoch auch darin, die Elektronenpakete zu kontrollieren.“ Im vergangenen Jahr war es Hommelhoff und seinen Mitarbeitern gelungen, periodische Elektronenpulse mit einer Länge von 1,3 Femtosekunden – eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde – zu erzeugen. Sie hatten dafür einen kontinuierlichen Elektronenstrahl über ein Siliziumgitter geleitet und ihn dort mit dem optischen Feld von Laserpulsen überlagert.
Vom Femto- zum Attosekundenpuls
Jetzt haben die Erlanger Forscher nachgelegt und Elektronenpulse von 0,3 Femto- bzw. 300 Attosekunden erzeugt. Auch bei dieser Methode ist Laserlicht im Spiel: Zunächst werden Elektronenpakete mithilfe von ultravioletten Laserpulsen aus einer Elektronenquelle emittiert. Diese Pakete wechselwirken anschließend mit optischen Wanderwellen, die durch zwei Infrarot-Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge im Vakuum gebildet werden. „Durch die ponderomotorische Wechselwirkung kommt es zu einer Verschiebung der Elektronendichte”, erklärt Norbert Schönenberger, Mitarbeiter am Lehrstuhl Hommelhoff und Koautor der Studie. „Wir zerlegen das Elektronenpaket gewissermaßen in noch kleinere Pakete und erzeugen so Elektronenpulse im Attosekundenbereich. Die zeitverzögerte Ankunft der Laserstrahlen erlaubt es uns, spezifische Wanderwellen zu erzeugen und somit die Pulszüge exakt zu kontrollieren.”
Die Methode der FAU-Physiker könnte Elektronenbeugungs- und Mikroskopie-Experimente revolutionieren. Mit Attosekundenpulsen wird es künftig möglich sein, nicht nur Atombewegungen zu verfolgen, sondern sogar die Dynamik von Elektronen innerhalb von Atomen, Molekülen und Festkörpern sichtbar zu machen.
Originalveröffentlichung
M. Kozák, N. Schönenberger, and P. Hommelhoff; "Ponderomotive Generation and Detection of Attosecond Free-Electron Pulse Trains"; Phys. Rev. Lett.; 120, 103203 – Published 9 March 2018
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