Atome unterm Stroboskop Erzeugung kürzester Laserpulse mit kontrollierter Phase
Seit geraumer Zeit arbeiten Physiker daran, Laserpulse zu erzeugen, die
kürzer als eine Femtosekunde sind. Einer deutsch-österreichischen
Arbeitsgruppe ist es nun erstmals gelungen, die Phase solcher
Attosekundenpulse zu kontrollieren. Damit eröffnet sich die Möglichkeit,
scharfe Schnappschüsse von inneratomaren Prozessen zu schiessen.
Zu den frühen Werkzeugen der Hochgeschwindigkeits-Photographie gehört
das Stroboskop. Als es vor 70 Jahren erfunden wurde, photographierte man
springende Bälle und schwanzwedelnde Hunde im Blitzlichtgewitter. Die
entwickelten Fotos zeigten die Bewegung wie in einer eingefrorenen
Zeitlupe. Wenn Physiker heute Atome "filmen", dann machen sie im Prinzip
nichts anderes als die Pioniere der Hochgeschwindigkeits-Photographie:
Sie beleuchten die Atome mit einer Serie von Laserblitzen und
beobachten, was sich von einem Lichtpuls zum nächsten verändert. Dabei
gilt: je kürzer die Lichtblitze, umso schärfer die Schnappschüsse. Im
vergangenen Jahr haben Wissenschafter der Universitäten Wien und
Bielefeld die Laserpulse auf weniger als eine Femtosekunde (10-15
Sekunden) reduziert und erstmals einen "Hochgeschwindigkeitsfilm" vom
Innern eines Krypton-Atoms gedreht. Doch die Lichtblitze waren nicht
ganz identisch und der Film gleichsam verwackelt. Jetzt ist es der
Wiener Arbeitsgruppe in Zusammenarbeit mit Forschern vom Max-Planck-
Institut für Quantenoptik in Garching gelungen, das Laserstroboskop noch
einmal wesentlich zu verbessern.
Kurz, kürzer, am kürzesten
Am einfachsten lässt sich ein Laserstroboskop bauen, indem man einen
Laser in schneller Folge ein- und ausschaltet. Da sich die Energie im
Laser immer wieder neu aufbauen muss, ist das Verfahren allerdings recht
träge: Die Lichtblitze sind nicht viel kürzer als eine
Millionstelsekunde. Für ambitionierte Photographen ist das kürzer als
nötig, für Grundlagenforscher aber noch viel zu lang. So wollen Chemiker
verstehen, wie sich die Atome und Moleküle während chemischer Reaktionen
bewegen; Physiker interessieren sich für die Bewegung der Elektronen um
den Atomkern. Erst mit Lichtblitzen im Femtosekundenbereich lassen sich
solche Bewegungen erfassen. Einen ersten Durchbruch erzielten Wissenschafter 1990 mit der
Entwicklung von Ultrakurzpulslasern. In diesen Lasern wird eine Linse
verwendet, deren Brechkraft von der Lichtintensität abhängt. Nur ein
Lichtwellenpaket mit hoher Intensität, das zwischen den Spiegeln des
Laserresonators im Kreis läuft, erfüllt die Resonanzbedingung. Einer der
Spiegel lässt einen Teil des Lichts passieren, so dass bei jedem Umlauf
ein kurzer Lichtblitz ausgekoppelt wird. Mit derartigen Lasern werden
heute routinemässig 5 bis 10 Femtosekunden kurze Lichtpulse im roten
Spektralbereich erzeugt. Sie werden in der "Femtochemie" verwendet, um
chemische Reaktionen stroboskopisch abzubilden oder auch gezielt
anzuregen. Wer aber nicht nur Atome in Molekülen, sondern die flüchtigen
Elektronen im Atom beobachten will, für den sind selbst
Femtosekundenblitze nicht kurz genug. Ausserdem hat rotes Licht zu wenig
Energie, um damit tief ins Innere der Atome schauen zu können. Hierzu
ist Röntgenlicht mit seiner kürzeren Wellenlänge erforderlich. Mitte
2001 gelang es schliesslich einer französisch-holländischen
Forschergruppe, beide Herausforderungen - kürzere Pulse und kürzere
Wellenlängen - auf einen Schlag zu meistern. Dabei nutzten die Forscher
aus, dass die Lichtstärke in einem Femtosekundenpuls nur wenige Male auf
und ab schwingt - wie in einer abgeschnittenen Sinus- oder
Cosinusfunktion. Sie fokussierten die Pulse eines Femtosekundenlasers
auf ein Gas aus Argon-Atomen. Jedes Mal, wenn die Lichtstärke eines
Pulses ihr Maximum erreichte, war die Intensität hoch genug, die
Gasatome zu ionisieren. Daraufhin sendeten die Argon-Atome in kurzen
Abständen Röntgenlichtblitze aus, die nur 250 Attosekunden (10-18
Sekunden) lang waren. Zur Veranschaulichung: In einer Attosekunde legt
Licht eine Strecke zurück, die dem Durchmesser eines Wasserstoffmoleküls
entspricht. Die magische Grenze von einer Femtosekunde war durchbrochen.
Erste Schnappschüsse eines Atoms
Welche Perspektiven solche ultrakurzen Laserpulse eröffnen,
demonstrierten im vergangenen Jahr Forscher um Markus Drescher von der
Universität Bielefeld und Ferenc Krausz von der Universität Wien. Mit
einer verfeinerten Technik gelang es den Wissenschaftern erstmals, einen
Prozess in der Elektronenhülle eines Krypton-Atoms stroboskopisch
abzubilden. Mit einem ersten Röntgenpuls ionisierten die Forscher das
Atom. Dabei wird ein Elektron aus einer inneren Schale entfernt. Mit
einem zweiten, verzögerten Lichtblitz beobachteten sie, wie die
verbleibenden Elektronen im Atom die Lücke füllten. Das Fachblatt
"Science" zählte diese Attosekundenphysik zu den zehn wichtigsten
wissenschaftlichen Errungenschaften des vergangenen Jahres. Noch blieb die Filmsequenz vom Atom jedoch etwas unscharf. Denn die
Physiker konnten die Phase des Lichtwellenpakets nicht kontrollieren. Es
blieb daher dem Zufall überlassen, ob das Lichtfeld im Wellenpaket erst
nach oben oder erst nach unten ausschlägt. Bei einer Pulslänge, die nur
ein bis zwei Wellenberge und -täler umfasst, macht dies einen
erheblichen Unterschied. Zur Lösung dieses Problems tat sich die Arbeitsgruppe von Krausz mit
Theodor Hänsch und seinen Mitarbeitern vom Max-Planck-Institut für
Quantenoptik in Garching zusammen. Schon vor einigen Jahren war es den
deutschen Forschern in gänzlich anderem Zusammenhang gelungen, die Phase
des Lichtfeldes in Femtosekundenlasern zu kontrollieren und identische
Pulse herzustellen. Es blieb allerdings die Frage, ob diese
Phasenkontrolle auch dann noch funktioniert, wenn man mit den
massgeschneiderten Femtosekundenpulsen Röntgenlicht erzeugt. Gemeinsam haben nun die Forscher um Hänsch und Krausz gezeigt: Es geht.
Sie verstärkten die Femtosekundenpulse und fokussierten sie in ein mit
Neon gefülltes Röhrchen, so dass die Atome Röntgenlicht abstrahlten.
Tatsächlich folgte die Phase des Röntgenlichts mit einer Genauigkeit von
10 Prozent der einstellbaren Phase der roten Femtosekundenpulse. Mit den
phasenstabilisierten Attosekunden-Röntgenpulsen steht den Atomphysikern
nun ein ausgereiftes Stroboskop zur Verfügung, das scharfe
Schnappschüsse von inneratomaren Prozessen verspricht. In einem
Kommentar für die Zeitschrift "Nature" schwärmt der amerikanische
Physiker Philip Bucksbaum denn auch von einem "schwindelerregenden
Heldenstück". Das klingt wie die Begeisterung über die ersten
Stummfilme. Quelle: Nature 421, 593-594; 611-615 (2003). Max Rauner
