Tennis mit Laserpulsen

  • 24. April 2013

Frontalzusammenstoß mit relativistischer Schicht aus Elektronen katapultiert Infrarotphotonen ins extreme Ultraviolett.

Eine bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte dichte Schicht von Elektronen wirkt wie eine spiegelnde Oberfläche, die Lichtstrahlung reflektiert und zu höheren Energien verschiebt. Das hat erstmals ein internationales Team experimentell bewiesen. Die Physiker beschleunigten mit einem Laserpuls Elektronen aus einer Nanometer dünnen Folie fast bis auf Lichtgeschwindigkeit. Anschließend reflektierten sie an diesen Elektronen einen zweiten Lichtpuls. Damit gelang es den Forschern erstmals, eine von Albert Einstein im Jahr 1905 aufgestellte Theorie experimentell nachzuweisen, wonach ein sich sehr schnell bewegender Spiegel die auf ihn auftreffende elektromagnetische Strahlung zu kürzeren Wellenlängen verschiebt.

Grafik des fliegenden Spiegels aus Elektronen und Laserpulse

Abb.: Ein Laserpuls (rot, von unten kommend), beschleunigt Elektronen (grün), die aus einer dünnen Folie aus Kohlenstoffatomen stammen. Auf die dann mit fast Lichtgeschwindigkeit fliegenden Elektronen trifft ein weiterer infraroter Lichtpuls. Dieser wird anschließend als Lichtblitz im extremen ultravioletten Bereich des Lichts von den Teilchen reflektiert und dauert nur noch Attosekunden. (Bild: T. Naeser)

Am Rutherford Appleton Laboratorium in Oxford schickten die Physiker einen rund fünfzig Femtosekunden kurzen, hochintensiven Laserimpuls auf eine dünne Folie aus Kohlenstoffatomen. Die Photonen dieses Pulses schlugen aus den Atomen eine dichte Lage aus Elektronen heraus und beschleunigten sie innerhalb eines Mikrometers auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Damit hatten die Physiker einen relativistischen Spiegel erschaffen. „Der Spiegel war nur für wenige Femtosekunden stabil“, erklärt Daniel Kiefer von der LMU München, der über das Experiment seine Doktorarbeit schrieb. Während dieser extrem kurzen Lebensdauer des Spiegels ließen die Physiker einen zweiten Femtosekunden-Lichtpuls von der entgegengesetzten Seite auf die rasende Elektronenwand auftreffen. Dieser Puls bestand aus nahem infraroten Licht und dauerte ebenfalls nur wenige Femtosekunden.

Während gewöhnliche Spiegel nun das einfallende Licht unverändert reflektieren, wandelt ein Spiegel, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegt, das auftreffende Licht um. Dabei überträgt der Spiegel den Impuls auf die Photonen – analog zu einem Ball der durch das Abprallen von einem entgegenkommenden Schläger zu einer höheren Geschwindigkeit getrieben wird. Da sich die Photonen aber schon mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, werden sie zu höheren Frequenzen verschoben. Bei dem Experiment wandelte sich das einfallende infrarote Licht um in extremes, ultraviolettes Licht mit Wellenlängen zwischen 60 bis 80 Nanometern. Ebenso verkürzte sich die Pulsdauer der reflektierten Lichtblitze auf die Größenordnung von einigen 100 Attosekunden.

Mit ihren Experimenten haben die Wissenschaftler damit einen neuen Weg gefunden, Attosekunden-Lichtblitze zu erzeugen. Mit solchen Lichtblitzen ist es wiederum möglich, Elektronen zu fotografieren, die sich innerhalb extrem kurzer Zeitspannen in Atomen bewegen, und damit die noch weitgehend unbekannten, elementarsten Vorgänge in der Natur zu beobachten.

„Mit unseren Experimenten haben wir vorerst nur bewiesen, dass die Theorie auch in der Praxis funktioniert“, erklärt Jörg Schreiber vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Für Schreiber und sein Team ist das jedoch erst der Anfang: „Unsere Lasersysteme werden künftig in der Lage sein, immer leistungsstärkere Pulse mit höheren Wiederholungsraten und kürzerer Dauer zu generieren“, meint er. Damit werden auch die auf diesem Weg erzeugten Attosekunden-Lichtblitze intensiver, kurzwelliger und immer besser geeignet sein, den Mikrokosmos zu erforschen. „Der relativistische Spiegel bietet also noch ein enormes Potential“, ist sich Schreiber sicher.

MPQ / AH

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