Forschung

Geformte Attosekunden-Pulse

14.02.2020 - An einem Freie-Elektronen-Laser lässt sich das elektrische Feld der Lichtblitze gezielt gestalten.

Bei einer chemischen Reaktion ordnen sich Elektronen in Flüssig­keiten oder Feststoffen neu an – ausgelöst durch einen Reiz wie Licht­einstrahlung. Dieser Vorgang dauert nur einige hundert Attosekunden. Elektronen sind empfindlich gegenüber äußeren Feldern, sodass Forscher sie leicht steuern können, indem sie die Elektronen mit Lichtpulsen bestrahlen. Sobald sie so das elek­trische Feld eines Attosekunden-Pulses zeitlich formen, können die Forscher die elektronische Dynamik in Echtzeit steuern. Nun zeigte ein Team um Giuseppe Sansone vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg, wie sich die Wellenform eines solchen Atto­sekunden-Pulses vollständig gestalten ließ.

„Mit diesen Pulsen können wir den ersten Moment der elek­tronischen Antwort in einem Molekül oder in einem Kristall untersuchen“, erklärt Sansone. „Mit der Fähigkeit, das elektrische Feld zu formen, können wir elektronische Bewegungen kontrollieren – mit dem lang­fristigen Ziel, grund­legende Prozesse wie Photo­synthese oder Ladungs­trennung in Materialien zu optimieren.“ Das Team, bestehend aus Theoretikern und Experimental­physikern aus Forschungs­instituten in den USA, Russland, Deutschland, Italien, Österreich, Slowenien, Ungarn, Japan und Schweden, führte sein Experiment an dem Freie-Elektronen-Laser (FEL) Fermi in Triest durch. Dieser Laser ist der einzige, an dem es gelingt, Strahlung mit verschiedenen Wellen­längen im extremen ultra­violetten Spektral­bereich mit vollständig kontrollier­baren relativen Phasen zu erzeugen.

Der Attosekunden-Puls entsteht durch die zeitliche Überlappung von Laser-Oberschwingungen. Die Wissenschaftler erzeugten Gruppen von vier Laser-Ober­schwingungen einer Grundwellen­länge mit Hilfe der bei Fermi verfügbaren Undulatoren. Die große Heraus­forderung des Experiments war die Messung der relativen Phasen der Laser-Oberschwingungen: Diese wurden durch die Messung von Elektronen, die von Atomen des Elements Neon infolge der Kombination der Atto­sekunden-Pulse und eines Infrarot­feldes freigesetzt wurden, nachgewiesen. Das führt zu zusätz­lichen Strukturen in den Elektronen­spektren, die als Seitenbänder bezeichnet werden. Die Wissenschaftler berücksichtigten die unter­schiedlichen Zusammenhänge der verschiedenen, für jeden Laserschuss erzeugten Seiten­bänder. Dadurch konnten sie schließlich die Attosekunden-Pulsfolge vollständig charak­terisieren

„Unsere Ergebnisse zeigen nicht nur, dass FELs Attosekunden-Pulse erzeugen können“, sagt Sansone, „sondern auch, dass solche Pulse aufgrund des für die Wellen­formerzeugung implementierten Ansatzes voll kontrollierbar sind und hohe Spitzen­intensitäten erreichen. Die Ergebnisse werden auch die Planung und das Design neuer Freie-Elektronen-Laser weltweit beein­flussen.“

U. Freiburg / JOL

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