Störende Blitze schaffen den besseren Plasmaspiegel

Physiker der Universität Jena entwickeln neue Methode zur Erzeugung von intensiveren Attosekundenpulsen

31.10.2012 - Deutschland

Atome und Moleküle können Wissenschaftler nicht einfach unter ein optisches Mikroskop legen, um zu erfahren, wie sie aufgebaut sind und wie sie funktionieren. Solch winzige Untersuchungsobjekte verlangen besondere Techniken, um die Prozesse in ihrem Inneren zu untersuchen. So werden sie z. B. mit extrem kurzen Lichtblitzen mit einer Dauer von wenigen 100 Attosekunden beschossen, um über deren Wechselwirkung mit den Atomen und Molekülen auf indirekte Art und Weise Informationen über die Elektronendynamik zu erhalten. Attosekundenpulse sind extrem kurze Lichtblitze, die nur eine Dauer von weniger als einem Millionstel einer Milliardstelsekunde besitzen. Die Erzeugung solcher Lichtblitze stellt die Wissenschaft vor besondere Herausforderungen.

Physikerinnen und Physikern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es jetzt gelungen, eine besonders wirkungsvolle Methode zur Erzeugung dieser Lichtpulse zu entwickeln. Das Jenaer Team hat die erzeugte Strahlung gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Düsseldorf und Belfast charakterisiert und die „Methode zu einer der bisher Effizientesten“ weiterentwickelt, freut sich Christian Rödel vom Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena. Dabei benutzen die Forscher sogenannte relativistische Spiegel. Ein Laserstrahl erzeugt diesen Spiegel durch einen Schuss auf eine Oberfläche, die dabei so stark aufheizt, dass sie in eine Art metallischen Zustand übergeht – ein reflektierendes Plasma. Vom elektrischen Feld des Lasers angetrieben, beginnt dieses Plasma mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu schwingen.

„Das ist die ideale Ausgangssituation, um den darauf fokussierten Laserpuls in einen Attosekundenpuls umzuwandeln“, erklärt Rödel. „Diese Methode ist zwar schon seit einigen Jahren bekannt, allerdings haben wir erstmals deren Effizienz untersucht und dabei Erstaunliches festgestellt“, betont der Jenaer Physiker. Die Effizienz ist in diesem Fall der Anteil der Energie im Attosekundenpuls an der Energie, die man zu dessen Erzeugung aufgewandt hat. Nach herkömmlicher Vorgehensweise ist diese Methode nicht viel wirkungsvoller, teilweise sogar ineffizienter, als andere. Dass jedoch viel mehr Potenzial in ihr steckt, konnte Rödel gemeinsam mit Jana Bierbach und Erich Eckner aus Jena und weiteren Partnern beweisen, indem sie eine weit verbreitete Annahme widerlegten, die die Methode bisher ausbremste. Entscheidend ist dabei der Zustand des Plasmaspiegels. „Die Experten sind immer vom idealen Spiegel ausgegangen, das heißt von einem harten Übergang vom Vakuum zum reflektierenden Plasma“, sagt Rödel. „Weicht man allerdings den Spiegel etwas auf, kann der Plasmaspiegel stärker schwingen und man erhält intensivere Attosekundenpulse.“ Diese Aufweichung erreichten die Jenaer Experten dadurch, dass sie ursprünglich als störend angesehene Effekte während des Laserbeschusses zuließen. Normalerweise gehen dem extrem intensiven Laserpuls weniger starke Lichtblitze voraus, die den Spiegel angreifen. Mit technischen Hilfsmitteln lassen sich diese zwar herausfiltern, doch die Jenaer Physiker ließen einige durch und erkannten, dass sie sogar hilfreich sein können und den Erzeugungsprozess sehr begünstigen können, wenn man sie genau dosiert.

Die neuen Erkenntnisse tragen elementar dazu bei, noch intensivere Attosekunden-Lichtblitze zu produzieren, sind die Jungforscher überzeugt. Diese können Forscherinnen und Forscher dann weltweit in Experimenten einsetzen und viel mehr über die Elektronendynamik erfahren – was also passiert, wenn Elektronen zwischen Atomen und Molekülen hin und her springen.

Originalveröffentlichung

C. Rödel, D. an der Brügge, J. Bierbach, M. Yeung, T. Hahn, B. Dromey, S. Herzer, S. Fuchs, A. Galestian Pour, E. Eckner, M. Behmke, M. Cerchez, O. Jäckel, et al.: "Harmonic Generation of Relativistic Plasma Surfaces in Ultrasteep Plasma Density Gradients", Physical Review Letters 109, (2012).

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