Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein die physikalische Erklärung für den photoelektrischen Effekt – einen entscheidenden Aspekt der Wechselwirkung von Licht und Materie. Demnach absorbieren Atome bei Bestrahlung mit Photonen deren Energie und ihre Elektronen wechseln dabei in einen höheren Energiezustand. Diese Quantensprünge sind je nach Element und Molekül spezifisch und hängen von der aufgenommenen Energie ab. Im Extremfall ist die Energie so hoch, dass ein oder mehrere Elektronen ganz aus ihren Orbitalen katapultiert werden – das Atom wird zum Ion. Doch diese Zustandswechsel der Elektronen geschehen so schnell, dass sie lange als quasi instantan galten. “In der Welt der Elektronen ereignen sich Veränderungen in wenigen Zehntel Attosekunden. Eine Attosekunde ist jedoch so kurz, dass so viele davon in eine Sekunde hineinpassen, wie Sekunden seit Beginn des Universums vergangen sind”, heißt es im Statement des Nobelpreis-Komitees.
Doch es gab lange Zeit keine Laser, die Licht in einem ausreichend kurzwelligen Spektralbereich produzieren konnten. „Für Pulse mit einer Dauer unterhalb einer Femtosekunde braucht man schon extrem ultraviolettes Laserlicht“, erklärt Preisträger Ferenc Kraus vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. „Zur Erzeugung noch kürzerer Pulse führt an Röntgenlicht kein Weg vorbei.“ Bis zu den Errungenschaften der drei Nobelpreisträger war es daher unmöglich, die Bewegungen der Elektronen nachzuvollziehen – es gab kein Werkzeug oder Messinstrument dafür. Was genau bei den Quantensprüngen und bei der Ionisierung in der Atomhülle geschieht und wie sich dies bei verschiedenen Elementen und Molekülen unterscheidet, blieb unklar.
(Video: Max-Planck-Gesellschaft)
Laserbeschuss von Edelgasatomen
Den ersten Schritt zu einer Lösung dieses Problem machten Anne L’Huillier von der Universität Lund und ihr Team im Jahr 1987 in einem Laserexperiment mit Edelgasen. Sie stellten fest, dass ein intensiver Infrarot-Laserstrahl beim Durchstrahlen einer Wolke von Edelgasatomen eine Vielzahl von Frequenz-“Obertönen” entsteht. Dabei stieg die Emissions-Intensität dieser Obertöne anfangs an, blieb dann aber über einen relativ breiten Frequenzbereich gleich, um dann steil abzufallen. Durch theoretische Berechnungen und Modelle lieferten L’Huillier und ihre Kollegen eine Erklärung für diese sogenannten “höher Harmonischen”. Demnach verursacht der Laserbeschuss zunächst eine Ionisierung der Edelgasatome – ein Elektron wird freigesetzt. Sobald jedoch die Phase des Laserfelds wechselt, kehrt das Elektron um und es kommt zu einer Rekombination mit dem Atom. Dabei wird ein kurzwelliges, energiereiches Röntgen- oder Extrem-UV-Photon freigesetzt. Weil sich dieser Prozess mehrfach wiederholt, werden diese Photonen in kurzen, regelmäßigen Abständen frei. Dies eröffnete erstmals einen Weg, regelmäßige, standardisierte Lichtpulse in extrem kurzen Abständen zu generieren – die Basis für Attosekunden-Lasermessungen.
