Hingerissene Elektronen

  • 14. March 2011

Mit Laserpulsen erzeugte Elektronenbündel erstmals zusammen mit ihrer treibenden Plasmawelle aufgenommen.

Einem Team um Ferenc Krausz vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und an der Ludwig Maximilians Universität München (LMU) ist es in Kooperation mit Physikern der Friedrich Schiller Universität Jena (FSU) erstmals gelungen, in Echtzeit lasererzeugte Plasmawellen und die durch sie beschleunigten Elektronenpakete zu beobachten. Damit haben sie eine Echtzeit-Dokumentation erstellt, wie sich unter Einwirkung von starken Laserpulsen Elektronen zu Bündeln organisieren und sich während des Fluges in ihrem Windschatten verhalten.

Bei ihren Experimenten fokussierten die Laserphysiker einen wenige Femtosekunden dauernden Laserpuls auf eine Gasdüse, aus der Heliumatome strömten. Der hochintensive Laserpuls riss die Elektronen aus den Atomen, wodurch ein Plasma entstand. Da die Elektronen viel leichter als die Helium-Atomrümpfe sind, wurden sie zur Seite gedrängt. Während der Laserpuls über das System hinwegfegte, blieben die Ionen stationär, die freigewordenen Elektronen oszillierten und die Plasmawelle entsand. Eine Schwingung dieser Struktur dauerte rund 20 Femtosekunden.

Abb. 1: Aus einer Düse strömen Helium-Atome, die von einem Laserpuls ionisiert werden. Dabei entsteht aus Helium-Ionen und freien Elektronen eine Plasmawelle. Ein Teil der Elektronen kann diese Welle „hinabsurfen“ und dabei fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. (Bild: IOQ/FSU)

Abb. 1: Aus einer Düse strömen Helium-Atome, die von einem Laserpuls ionisiert werden. Dabei entsteht aus Helium-Ionen und freien Elektronen eine Plasmawelle. Ein Teil der Elektronen kann diese Welle „hinabsurfen“ und dabei fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. (Bild: IOQ/FSU)

In der Plasmawelle bildeten 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 flog auf Grund dieser Felder als Schwarm im Windschatten dem Laserpuls hinterher und beschleunigte bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit. Jedes Elektron verfügte dabei über fast die gleiche Energie.

Abb. 2: Illustration 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. (Bild: Christian Hackenberger)

Abb. 2: Illustration 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. (Bild: Christian Hackenberger)

Das untersuchte Phänomen ist schon seit längerem bekannt und in Experimenten nachgewiesen. Bereits 1979 beschrieb der japanische Laserphysiker Toshiki Tajima den Vorgang. Bisher waren aber nur Einzelbeobachtungen mit reduzierter Auflösung, entweder des Elektronenschwarms oder der gesamten Plasmawelle möglich. Nun ist die kombinierte Dokumentation mit einer hohen Auflösung der Plasmawelle geglückt. Aufgenommen wurde der Prozess über den gleichen Lichtpuls, der auch die Elektronen beschleunigt. Dazu hatten die Physiker den Laserpuls zuvor gespalten, sodass ein kleiner Teil davon im rechten Winkel auf das System aus freien Elektronen und Ionen auftraf. Dieses Licht wurde an der periodisch angeordneten Plasmawelle gebrochen, wobei es zum Teil abgelenkt wurde. Die Ablenkung, und damit auch die Plasmawelle, ließen sich mit einer Kamera als Helligkeitsunterschiede abbilden. Die zeitliche Auflösung lag dabei im Femtosekunden-Bereich. Der Elektronenschwarm produzierte zudem Magnetfelder, die die Physiker ebenfalls aufzeichneten und damit seine Position und Dauer bestimmten. Aus beiden Messmethoden ergab sich schließlich ein Film der Elektronenbeschleunigung.

Die Ergebnisse der Forscher 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.

MAP / FSU / MH

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