Forschung & Entwicklung

Elektronen mit ultraschnellen Laserpulsen kontrollieren

Erstmals ist es gelungen, gezielt Elektronenwellen zu erzeugen, die eine in der Natur seltene siebenzählige Symmetrie aufweisen. Dies könnte zu neuartigen und ultraschnellen steuerbaren Elektronenquellen mit ungewöhnlichen Eigenschaften führen.

Bereits vor gut zwei Jahren konnten Experimentalphysiker der Universität Oldenburg zeigen, dass sie mithilfe extrem kurzer Laserpulse die Ladungstrennung, also das Herauslösen eines Elektrons aus einem Atom, für die Erzeugung von Elektronenwirbeln nutzen können. „Nun sind wir noch einen Schritt weiter“, sagt Professor Matthias Wollenhaupt, Leiter der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Kohärente Dynamik (ULTRA). „Unsere Experimente zeigen, dass es mithilfe modernster Lasertechniken gelingt, die Eigenschaften der bei der Fotoionisation ausgesendeten Elektronen hochpräzise zu kontrollieren. Elektronenwellen mit siebenzähliger Symmetrie hat bisher noch niemand im Experiment beobachtet.“

Der Schlüssel hierzu sind maßgeschneiderte Laserblitze von der Dauer einiger Femtosekunden. Dank neuartiger experimenteller Techniken können Forscher solche Laserblitze, auch Pulse genannt, in Raum und Zeit gezielt manipulieren: Durch Überlagerung zweier Laserpulse verschiedener Farbe sind die Oldenburger Physiker in der Lage, in ihrem Experiment nahezu beliebige gerad- oder ungeradzahlige Symmetrien des Strahlungsfeldes zu herzustellen. Auf diese Weise erzeugten sie beispielsweise nach Belieben abstimmbare propellerförmige oder herzförmige Laserpulsformen.

Den Forschern ist es nun erstmals gelungen, diese ungewöhnlichen Symmetrieeigenschaften der Laserpulse gezielt auf Elektronenwellen zu übertragen. Dafür bestrahlten sie ein Ensemble von Natriumatomen, die nur ein einziges Elektron in ihrer äußeren Hülle besitzen, mit speziell eingestellten Laserfeldern. „Die Ergebnisse offenbaren ein überraschendes Wechselspiel zwischen den Symmetrien des Laserfeldes und den beobachteten Eigenschaften der Elektronenwellen“, sagt Stefanie Kerbstadt. Neben der siebenzähligen Symmetrie der Elektronen konnten die Physiker dabei die Fotoelektronen auch halbmondförmig lokalisieren oder zu einem Wirbel formen.

Diese ultraschnelle Prozesse beobachteten die Forscher mit einer tomografischen Methode, die sie selbst entwickelt haben: Ähnlich wie in der medizinischen Computertomografie entstehen dabei dreidimensionale Bilder, die das komplexe Geschehen der Ladungstrennung sichtbar machen. Dabei messen die Physiker die sogenannten Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen, also wie sich die Elektronen in Millionen von Beobachtungen verhalten.

Mit ihren Experimenten wollen die Wissenschaftler grundlegend verstehen, wie man mit zeitlich strukturierten, sogenannten polarisationsgeformten, Laserpulsen die Wechselwirkung von Licht und Materie im Innersten kontrollieren kann. Zwar seien natürliche Prozesse, etwa die Wechselwirkung des Lichts mit großen Molekülen, deutlich komplexer als die Fotoionisation von Atomen unter Laborbedingungen. Der zugrundeliegende physikalische Mechanismus sei dennoch auf andere Bereiche der Physik übertragbar. Ladungsträger kontrolliert auszusenden, könnte beispielsweise helfen, elektrische Ströme ultraschnell zu schalten und zu steuern oder neuartige Elektronenquellen für die Grundlagenforschung zu entwickeln. Ziel der Oldenburger Physiker ist zudem, die Erzeugung von noch kürzeren Laserpulsen im Bereich von Attosekunden, mit diesen neuartigen Laserpulsen zu kontrollieren.

von mn

Originalveröffentlichung:

[S. Kerbstadt, K. Eickhoff, T. Bayer, M. Wollenhaupt, Odd electron wave packets from cycloidal ultrashort laser fields, Nat. Commun. 10 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-08601-7]

www.uol.de

Firmeninformationen
© photonik.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten