Wellenformen beeinflussen

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, wobei eine Attosekunde der milliardste Teil einer Milliardstelsekunde ist. Elektronen sind empfindlich gegenüber äußeren Feldern, sodass Forschende sie leicht steuern können, indem sie die Elektronen mit Lichtpulsen bestrahlen. Sobald sie so das elektrische Feld eines Attosekunden-Pulses zeitlich formen, können die Forschenden die elektronische Dynamik in Echtzeit steuern. Ein Team um Prof. Dr. Giuseppe Sansone vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg zeigt in der Fachzeitschrift Nature, wie es die Wellenform eines solchen Attosekunden-Pulses vollständig gestalten konnte.

„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 Theoretikerinnen und Theoretikern sowie Experimentalphysikerinnen und -physikern 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/Italien durch. Dieser Laser ist der einzige, an dem es gelingt, Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen im extremen ultravioletten Spektralbereich mit vollständig kontrollierbaren relativen Phasen zu synthetisieren.

Der Attosekunden-Puls entsteht durch die zeitliche Überlappung von Laser-Oberschwingungen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erzeugten Gruppen von vier Laser-Oberschwingungen einer Grundwellenlänge mit Hilfe der bei FERMI verfügbaren Undulatoren. Diese sind technische Geräte, die ultraviolette Strahlung von Elektronen hervorbringen können. 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 üblicherweise 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.“

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