Extrem heiß und extrem kurz

  • 21. July 2014

Plasmaspiegel erzeugen Attosekunden-Pulse – Stipendium der Volkswagen-Stiftung ermöglicht Weiterentwicklung des Verfahrens.

Wenn Laserphysiker von Lichtpulsen mit kurzer Zeitdauer sprechen, dann meinen sie damit weder eine Sekunde noch eine Nanosekunde. Sie meinen vielmehr Lichtblitze mit einer Dauer von Attosekunden – einer Zeitspanne nicht mehr als der Hauch eines Augenblicks: Eine Attosekunde ist der trillionste Teil einer Sekunde. Zu einer Sekunde verhält sie sich wie diese zum gesamten Alter des Universums.

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Abb.: Christian Rödel mit einem Versuchsaufbau zur Erzeugung von Attosekunden-Pulsen. (Bild: J.-P. Kasper)

Auch Christian Rödel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena beschäftigt sich mit solchen extrem kurzen Lichtpulsen. Der Physiker erhält im Rahmen einer Peter-Paul-Ewald-Fellowship der Volkswagen-Stiftung in den kommenden drei Jahren eine Förderung von 330.000 Euro. Das Stipendium ermöglicht ihm einen Forschungsaufenthalt im US-amerikanischen Stanford, um dort Experimente mit dem derzeit weltgrößten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser „Linac Coherent Light Source“ (LCLS) durchzuführen. Die Volkswagen-Stiftung hat die Ewald-Fellowships 2010 eingerichtet und bisher an elf Wissenschaftler von deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen vergeben.

Das Ziel von Rödel und seinen Teamkollegen ist die Erzeugung von Attosekundenpulsen mithilfe eines Plasmaspiegels. Die Physiker beschießen dabei eine Oberfläche mit einem Laserpuls. Die Oberfläche heizt sich stark auf und ein relativistisches Plasma entsteht. „Das Plasma ist so heiß, dass sich die Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen und damit Effekte der speziellen Relativitätstheorie berücksichtigt werden müssen“, erklärt Rödel. Das Plasma fängt an zu schwingen, wirkt als beweglicher Spiegel und wandelt die darauf fokussierte Laserstrahlung in ultrakurze Attosekundenpulse um.

Die Methode gilt zwar als vielversprechend, doch die erzeugten Lichtblitze sind noch deutlich schwächer als vorhergesagt. „Instabilitäten an der Oberfläche und im Inneren des Plasmas können dazu führen, dass die Attosekundenpulse mit deutlich geringerer Effizienz erzeugt werden, als es die Simulationen erwarten lassen“, erläutert Rödel. Das Dichteprofil des Plasmas und die Neigung der Oberfläche seien die entscheidenden Stellschrauben, so der Wissenschaftler.

Aufschluss über das Innere des Plasmas erhofft sich Rödel nun von Experimenten mit dem LCSL. Ab Ende Juli arbeitet er für insgesamt eineinhalb Jahre in Stanford. Die Untersuchungen des Forschers sind vor allem für die Grundlagenforschung relevant. Wenn es gelingt, energiereiche Attosekundenpulse zu produzieren, eröffnen sich zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten: So lassen sich Schnappschüsse vom Inneren der Atomhülle erstellen und grundlegende Vorgänge in Echtzeit beobachten, etwa die Bewegung von Elektronen sowie die genauen Abläufe chemischer Reaktionen.

FSU / RK

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