Laserpulse jenseits der Attosekunden-Hürde /Schnappschüsse von
inneratomaren Prozessen /Spe. Jeder Photograph weiss, dass man bewegte
Objekte nur mit einer kurzen Belichtungszeit festhalten kann. Das Objekt
darf sich während der Belichtung praktisch nicht vom Fleck rühren, weil
es sonst auf dem Bild verwaschen erscheint. Diese Regel gilt auch, wenn
man Schnappschüsse von Vorgängen machen will, die sich im Mikrokosmos
abspielen. Allerdings macht man sich im Allgemeinen keine Vorstellung
davon, wie kurz die Zeitskala ist, auf der atomare Prozesse stattfinden.
Um die Vibrationen eines Atoms in einem Molekül oder das
Auseinanderbrechen von chemischen Bindungen zeitlich verfolgen zu
können, sind Lichtpulse erforderlich, deren Dauer sich in Femtosekunden
(10-15 Sekunden) bemisst. Im Inneren eines Atoms geht es sogar noch
schneller zu. Typische Prozesse wie die Ionisierung eines Atoms oder die
Anregung eines Elektrons von einer inneren auf eine äussere Schale
erfolgen auf der Zeitskala von Attosekunden (10-18 Sekunden). Die Erzeugung von Femtosekunden-Lichtpulsen ist heute mit speziellen
Lasern fast schon zur Routine geworden. Als Folge davon hat sich die
"Femtochemie", also die Untersuchung und die Kontrolle von chemischen
Reaktionen mit diesen Pulsen, in den letzten Jahren mehr und mehr
etabliert. Hingegen fehlt bis heute das Instrumentarium, um
Schnappschüsse von inneratomaren Prozessen zu machen. Das könnte sich
bald ändern. Nachdem es in den letzten Monaten verschiedenen Gruppen
gelungen ist, sich Schritt für Schritt an die Attosekunden-Grenze
heranzutasten, haben Forscher um Ferenc Krausz von der Technischen
Universität Wien nun erstmals eine "Messung" mit einem Attosekunden-Puls
durchgeführt. Auch wenn die Messung zum gegenwärtigen Zeitpunkt mehr
über den Puls aussagt als über das untersuchte Objekt, ist ein Anfang in
der "Attosekunden-Physik" gemacht. Die Erzeugung kurzer Lichtpulse beruht auf der Überlagerung von Wellen
verschiedener Frequenz. Indem die Wellen an einem bestimmten Punkt
konstruktiv miteinander interferieren, sich drumherum aber gegenseitig
auslöschen, entsteht ein Puls, der um so kürzer ist, je breiter seine
Frequenzanteile gestreut sind. Die kürzesten Lichtpulse, die man auf
diese Weise erzeugen kann, sind etwa fünf Femtosekunden lang. Dass diese
Grenze nur schwer zu unterbieten ist, hat einen physikalischen Grund. In
einem Lichtpuls muss die Schwingung des elektromagnetischen Feldes
mindestens einen vollen Zyklus durchlaufen, damit sich der Puls als
Welle ausbreiten kann. Für sichtbares Licht dauert ein solcher Zyklus
etwas mehr als zwei Femtosekunden, so dass die kürzesten Pulse nur noch
zwei Zyklen lang sind. Damit ist das physikalisch Machbare fast
erreicht. Es bleibt deshalb nur ein Weg, um deutlich kürzere Pulse zu
erzeugen: Statt Lichtwellen muss man Wellen aus dem UV- oder dem weichen
Röntgenbereich überlagern. Denn mit der Wellenlänge wird auch der
Schwingungszyklus kürzer. Da es bis heute keinen Laser für Röntgenlicht gibt, greifen Forscher zu
anderen Tricks, um Wellen aus diesem Spektralbereich zu erzeugen. Eine
Möglichkeit besteht etwa darin, einen intensiven Lichtpuls auf ein
atomares Gas zu richten. Die nichtlinearen Prozesse, die daraufhin in
dem Gas angestossen werden, führen dazu, dass nicht nur Licht der
ursprünglichen Frequenz emittiert wird, sondern auch Wellen mit einem
Vielfachen der Anregungsfrequenz. Diese aufsteigende Leiter der "höheren
Harmonischen" kann sich bei ausreichender Intensität des anregenden
Lichtpulses bis in den Röntgenbereich hinein erstrecken. Bereits vor einiger Zeit hatten französische und holländische Forscher
gezeigt, dass man durch die Überlagerung von höheren Harmonischen aus
dem Röntgenbereich Attosekunden-Pulse erzeugen kann. Da der zum Anregen
des Gases verwendete Lichtpuls relativ lang war, das elektrische Feld
also viele Zyklen durchlief, resultierte sogar ein ganzer Zug von dicht
aufeinander folgenden Attosekunden-Pulsen. Für die Untersuchung von
schnellen physikalischen Prozessen wäre es allerdings wünschenswert,
wenn man isolierte Attosekunden-Pulse herstellen könnte. Diesem Ziel ist
die Gruppe um Ferenc Krausz nun bedeutend näher gekommen. Durch die
Verwendung eines sehr kurzen (7 Femtosekunden) Lichtpulses und durch
eine anschliessende Filterung des resultierenden Röntgenlichts gelang es
den Forschern, einen einzigen Attosekunden-Puls zu präparieren. Um diesen Röntgenpuls näher zu charakterisieren, wurde er zusammen mit
dem deutlich längeren Lichtpuls auf ein Gas aus Krypton-Atomen
fokussiert, was zu einer Ionisierung der Atome führte. Je nach Timing
zwischen den beiden Pulsen wurden die freigesetzten Elektronen in dem
elektrischen Feld des Lichtpulses mehr oder weniger stark beschleunigt.
Die gemessene Energie der Elektronen erlaubte zum einen den Rückschluss,
dass der ionisierende Röntgenpuls 650 Attosekunden lang ist. Zugleich
konnten sich die Forscher davon überzeugen, dass mit diesem Puls eine
zeitliche Auflösung von 150 Attosekunden erreicht werden kann. Damit
fühlen sich die Forscher gerüstet, den Spiess umzudrehen und mit dem so
charakterisierten Attosekunden-Puls die Dynamik von ultraschnellen
inneratomaren Prozessen zu untersuchen. Quellen: Nature 414, 494-495; 509-513 (2001); Physics World 14, 41-46,
September 2001.
