von DIRK EIDEMÜLLER
Bislang standen Wissenschaftler bei der Erkundung des Mikrokosmos immer vor einem Problem: Die experimentellen Mittel reichen nicht aus, um die Dynamik in der Quantenwelt sichtbar zu machen. Zu schnell laufen die Geschehnisse im Mikrokosmos ab. Es ist ein bisschen so, als wollte man einen 100-Meter-Lauf ablichten und die Kamera nimmt nur ein Bild pro Minute auf: Damit kann man die Athleten nur im Startblock festhalten und dann erst wieder nach dem Zieleinlauf.
Nun eröffnen ultrakurze Attosekunden-Laserblitze der Grundlagenforschung eine neue Tür, weil sie quasi Bewegtbilder vom Mikrokosmos möglich machen. Attosekunden – Milliardstel Milliardstel Sekunden – sind die typische Zeitskala vieler Quantenprozesse, etwa von Elektronen-Übergängen in Atomen und Molekülen. Für die Entwicklung solcher Attopulse wurde 2023 der Physik-Nobelpreis verliehen.
Doch es gibt eine große Schwierigkeit, sagt Evaldas Svirplys vom Berliner Max-Born-Institut: „So kurze Pulse werden im extremen Ultraviolett erzeugt, bis hinunter in die weiche Röntgenstrahlung, also von wenigen Dutzend Mikrometern Wellenlänge bis in den Nanometerbereich.“ Solche kurzwellige Strahlung wird von allen Materialien, auch von Luft, stark absorbiert, sodass man die Versuche im Vakuum machen muss. Zudem lassen sich kaum Linsen oder Optiken dafür bauen, da sie einen Großteil der Attopulse „schlucken“ und diese zudem qualitativ verschlechtern.
Das Max-Born-Institut gehört zu den weltweit renommiertesten Anlaufstellen, wenn es um ultrakurze Laserpulse geht. Die Wissenschaftler um Svirplys haben nun gemeinsam mit Experten vom Forschungszentrum DESY in Hamburg eine Lösung ersonnen, um Attopulse dennoch bündeln zu können. „Perfekt ionisierte Gase – also Plasmen, bei denen alle Elektronen von den Atomkernen entfernt wurden – können kein Licht absorbieren, deshalb sind sie auch im extremen Ultraviolett transparent“, sagt Svirplys.
Dem Team gelang es, eine solche Plasmalinse herzustellen, die dicht genug für eine starke Fokussierung ist. Dazu wurde eine leistungsfähige Quelle für Wasserstoffplasma eingesetzt, wie sie auch bei Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommt. Um das Plasma zu erzeugen, schickten die Physiker zunächst starke elektrische Pulse durch ein dünnes Röhrchen aus Saphirglas, durch das der Wasserstoff strömt. Das Gas wird ionisiert und in ein Wasserstoffplasma verwandelt. Dabei wandern die Elektronen von selbst zu den Rändern des Plasmas, wo die Temperatur niedriger ist als im Zentrum. Auf diese Weise formt sich eine Plasmalinse, mit der man Attosekundenpulse bündeln kann. Entscheidend ist, dass sich die Länge der Pulse dabei kaum verändert.
„Ich rechne damit, dass sich die Helligkeit von Attosekundenpulsen dank solcher Linsen wesentlich erhöhen lässt“, meint Svirplys. Er erwartet neue Möglichkeiten für die Strahlführung. So erst würden viele Prozesse in der Mikrowelt der Dunkelheit entrissen. ■
