von DIRK EIDEMÜLLER
Die wechselseitige Beeinflussung von Licht und Materie gehört zu den grundlegendsten physikalischen Prozessen. In den letzten Jahren haben sich neue Möglichkeiten ergeben, um diese Wechselwirkung auch auf ultrakurzen Zeitskalen zu untersuchen und nutzbar zu machen. Es lassen sich sogar Lichtwellen manipulieren, die nur wenige Schwingungen des elektromagnetischen Feldes lang sind.
Nun ist es einem Team um Thomas Pfeifer vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg mit Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden gelungen, die Bahnen von Elektronen bei der Ionisierung in Echtzeit aufzunehmen. Diese Experimente sind in mehrerer Hinsicht spannend. Sie zeigen, wie weit die Technik auf diesem Gebiet bereits fortgeschritten ist.
„Man kann solche Techniken nutzen, um Lichtpulse auf höhere Frequenzen zu bringen. Wir nennen das die Erzeugung höherer Harmonischer“, sagt Tobias Heldt. Er hat an diesen Experimenten für seine Masterarbeit gearbeitet und ist Hauptautor der in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienenen Studie. Höhere Harmonische sind Lichtpulse, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches des Ursprungspulses ist. Sie werden derzeit intensiv erforscht, weil sich damit aus infraroter und sichtbarer Strahlung ultraviolette Pulse erzeugen lassen. Auf andere Weise ist dies kaum möglich.
Helium unter Laser-Beschuss
„Bei unseren Versuchen haben wir Helium-Gas starken Laserpulsen ausgesetzt“, sagt Heldt. Die Idee hinter dem Experiment: Zunächst ionisierten die Forscher die Helium-Atome mit einem ultrakurzen Ultraviolettpuls; dabei wurde ein Elektron aus dem Atom herausgeschlagen.
Normalerweise würde dieses Elektron davonfliegen. Doch die Physiker bestrahlten das Helium mit einem sehr starken und kurzen Infrarotpuls von nur wenigen Femtosekunden Dauer. (Eine Femtosekunde ist eine Billiardstel = 10–15 Sekunde.) Das elektromagnetische Feld des Infrarotpulses beeinflusste die Elektronenbahnen und brachte einen Teil der Elektronen zur sogenannten Rekollision, also der Wiedervereinigung mit dem Helium-Ion.
Aus den gemessenen Spektren konnten die Forscher die Bahnen der Elektronen bestimmen. Dabei traten die UV-Pulse ein zweites Mal auf den Plan: Durch die Ionisierung entstand in den Helium-Atomen auch ein Dipolmoment, das durch die herausgeschlagenen Elektronen verursacht wurde und von deren Bahn abhing. Dieses Dipolmoment beeinflusste wiederum die UV-Pulse, sodass die Wissenschaftler damit die Elektronenbahnen vermessen konnten.
„Wir konnten außerdem beobachten, dass zirkular polarisierte Infrarotpulse im Vergleich zu linear polarisierten Pulsen die Wahrscheinlichkeit für eine Rekollision erhöhen“, sagt Heldt. Das entspricht auch den Berechnungen, denen zufolge zirkular polarisierte Pulse die Elektronen wieder zurück zu ihrem Ursprungsort lenken. Mit diesem neuen Verständnis und ausgefeilten Methoden wollen die Forscher künftig noch größere und komplexere Moleküle untersuchen.
