Die Zähmung des Lichts

Ein Mixer für Licht: Ein Lichtwellensynthetisator spaltet einfallendes weißes Laserlicht in drei Farbkanäle auf und modifiziert es anschließend. Das Zusammensetzen erzeugt Laserpulse mit komplexen, aber fein justierbaren Wellenverläufen.

Die pulsierende Leere nach dem Elektron
Ultrakurze Pulse zeigen erstmals in Echtzeit, was in einem Atom passiert, aus dem ein einzelnes Elektron herausgeschlagen wurde

Ultraschneller Blick in Atome und Moleküle
Physiker stellen mit ultrakurzen Lichtpulsen einen neuen Rekord in der Kurzzeittechnologie auf

Wer auf Entdeckungstour in Atomen gehen will, muss schnell sein und sehr genau: Im Mikrokosmos bewegen sich Elektronen mit atemberaubenden Geschwindigkeiten und auf die Teilchen wirken zudem enorme Kräfte. Um Elektronen zu beobachten, sind daher ultrakurze Lichtpulse nötig. Will man die Teilchen zudem kontrollieren, muss man die Pulsstruktur manipulieren. Eine solche Manipulation hat jetzt erstmals ein Physiker-Team um Eleftherios Goulielmakis und Ferenc Krausz vom Labor für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München in Garching bewerkstelligt. Beteiligt an dem Projekt waren auch Wissenschaftler vom Center for Free-Electron Laser Science (DESY, Hamburg) und der King-Saud-Universität (Saudi-Arabien). Dabei verkürzten die Forscher unter anderem die Laserpulse im sichtbaren Licht zu Subzykluspulsen, die aus weniger als einer kompletten optischen Schwingung bestehen. Die Technik verspricht eine präzise Beobachtung und Steuerung von Elektronenbewegungen in Atomen und Moleküle.

Bewegungen von Elektronen gehen innerhalb von Attosekunden über die Bühne. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Auf diesen Zeitskalen kann nur noch Licht mithalten. Aufgrund der schnellen Schwingung seines elektromagnetischen Feldes wirkt es wie eine Art Pinzette auf Elektronen und deren Bewegung und beeinflusst so deren Zusammenspiel. Die Zeit, in der das Licht moderner Laserquellen genau eine Schwingung aus einem Wellenberg und ein Wellental vollführt, beläuft sich auf rund 2,6 Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde.

Aus diesem Grund ist Licht ein vielversprechender Kandidat für die Kontrolle von Bewegungen im Mikrokosmos. Aber bevor es soweit ist, müssen die Lichtfelder gezähmt werden, das heißt ihr Feld muss auf einer Zeitskala eines so genannten Subzyklus, der kürzer als eine komplette Schwingung ist, genau kontrolliert werden. Man muss die außergewöhnliche Pinzette also erst gezielt formen, damit sie sich für die Manipulation von Elektronen eignet.

Ein internationales Team um Eleftherios Goulielmakis und Ferenc Krausz am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) ist diesem Ziel nun einen Schritt näher zu kommen. Das Forscherteam baute in die Wellenform weißer Laserpulse kleinste Abweichungen des typischen Licht-Schwingungsverhaltens ein. Auf diese Weise haben die Wissenschaftler im sichtbaren Spektrum des Lichts erstmals so genannte isolierte Subzykluspulse erzeugt, die kürzer sind als eine vollständige Schwingung der Lichtwelle.