Forschung & Entwicklung

Wellenformen beeinflussen

Das elektrische Feld eines Attosekundenimpulses lässt sich zeitlich gestalten. Damit sollen sich Elektronenbewegungen in Molekülen zukünftig kontrollieren und Prozesse wie Ladungstrennung in Materialien optimieren lassen.

Chemische Reaktionen werden auf ihrer grundlegendsten Ebene von ihrer jeweiligen elektronischen Struktur und Dynamik bestimmt. Ausgelöst durch einen Reiz wie Lichteinstrahlung ordnen sich Elektronen in Flüssigkeiten oder Feststoffen neu an. 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 Attosekundenpulses zeitlich formen, können die Forscher die elektronische Dynamik in Echtzeit steuern.

 „Mit diesen Pulsen können wir den ersten Moment der elektronischen Antwort in einem Molekül oder in einem Kristall untersuchen“, erklärt Professor Giuseppe Sansone vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg. „Mit der Fähigkeit, das elektrische Feld zu formen, können wir elektronische Bewegungen kontrollieren – mit dem langfristigen Ziel, grundlegende Prozesse wie Fotosynthese oder Ladungstrennung in Materialien zu optimieren.“ Das Forschungsteam führte sein Experiment an dem Freie-Elektronen-Laser (FEL) Fermi in Triest/Italien durch. Dieser Laser kann Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen im extremen ultravioletten Spektralbereich mit vollständig kontrollierbaren relativen Phasen emittieren.

Der Attosekundenpuls entsteht durch die zeitliche Überlappung von Laseroberschwingungen. Die Wissenschaftler erzeugten Gruppen von vier Laseroberschwingungen einer Grundwellenlänge mithilfe der bei Fermi verfügbaren Undulatoren. Diese sind technische Geräte, die ultraviolette Strahlung von Elektronen hervorbringen können. Die Herausforderung des Experiments war die Messung der relativen Phasen der Laseroberschwingungen: Diese wurden durch die Messung von Elektronen, die von Atomen des Elements Neon infolge der Kombination der Attosekundenpulse und eines Infrarotfelds freigesetzt wurden, nachgewiesen. Das führt zu zusätzlichen Strukturen in den Elektronenspektren, die üblicherweise als Seitenbänder bezeichnet werden. Die Wissenschaftler berücksichtigten die unterschiedlichen Zusammenhänge der verschiedenen, für jeden Laserschuss erzeugten Seitenbänder. Dadurch konnten sie schließlich die Attosekundenpulsfolge vollständig charakterisieren.

„Unsere Ergebnisse zeigen nicht nur, dass FELs Attosekundenpulse 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.“

von mn

Originalveröffentlichung:

[P.K. Maroju et al., Attosecond pulse shaping using a seeded free-electron Laser, Nature (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-2005-6]

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