Physiker der Universität Konstanz haben eines der kürzesten Signale erzeugt, die jemals von Menschen erzeugt wurden: Mithilfe gepaarter Laserpulse ist es ihnen gelungen, eine Reihe von Elektronenpulsen auf eine numerisch analysierte Dauer von nur 0,000000000000000005 Sekunden zu komprimieren.
Prozesse in der Natur, die in Molekülen oder Festkörpern ablaufen, laufen manchmal auf einer Zeitskala von Billiardstel (Femtosekunden) oder Quintillionstel (Attosekunden) Sekunden ab. Kernreaktionen laufen noch schneller ab. Nun nutzen Maxim Tsarev, Johannes Thurner und Peter Baum, Wissenschaftler der Universität Konstanz, einen neuen Versuchsaufbau, um Signale von Attosekundendauer zu erzielen, was neue Perspektiven im Bereich ultraschneller Phänomene eröffnet.
Nicht einmal Lichtwellen können eine solche zeitliche Auflösung erreichen, denn dafür dauert eine einzelne Schwingung viel zu lange. Abhilfe schaffen hier Elektronen, die eine deutlich höhere Zeitauflösung ermöglichen. In ihrem Versuchsaufbau nutzen die Konstanzer Forscher Paare von Femtosekunden-Lichtblitzen eines Lasers, um ihre extrem kurzen Elektronenpulse in einem Freiraumstrahl zu erzeugen. Über die Ergebnisse wird im Journal berichtet Naturphysik.
Wie sind die Wissenschaftler dabei vorgegangen?
Ähnlich wie Wasserwellen können sich auch Lichtwellen zu stehenden oder wandernden Wellenbergen und -tälern überlagern. Die Physiker wählten die Einfallswinkel und -frequenzen so, dass die mitpropagierenden Elektronen, die mit halber Lichtgeschwindigkeit durch das Vakuum fliegen, sich mit optischen Wellenbergen und -tälern genau derselben Geschwindigkeit überlappen.
Die sogenannte Ponderomotorische Kraft drückt die Elektronen dann in Richtung des nächsten Wellentals. So entsteht nach einer kurzen Wechselwirkung eine Reihe extrem kurzer Elektronenpulse – insbesondere in der Mitte der Pulsfolge, wo die elektrischen Felder sehr stark sind.
Kurzzeitig beträgt die zeitliche Dauer der Elektronenpulse nur etwa fünf Attosekunden. Um diesen Prozess zu verstehen, messen die Forscher die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen, die nach der Kompression verbleibt.
„Statt einer sehr gleichmäßigen Geschwindigkeit der Ausgangspulse sieht man eine sehr breite Verteilung, die durch die starke Abbremsung oder Beschleunigung einiger Elektronen im Zuge der Kompression entsteht“, erklärt der Physiker Johannes Thurner. „Aber nicht nur das: Die Verteilung ist nicht glatt, sondern besteht aus Tausenden von Geschwindigkeitsschritten, da jeweils nur eine ganze Zahl von Lichtteilchenpaaren mit Elektronen wechselwirken kann.“
Bedeutung für die Forschung
Quantenmechanisch, sagt der Wissenschaftler, handelt es sich dabei um eine zeitliche Überlagerung (Interferenz) der Elektronen mit sich selbst, nachdem sie zu unterschiedlichen Zeiten die gleiche Beschleunigung erfahren haben. Dieser Effekt ist für quantenmechanische Experimente relevant – beispielsweise zur Wechselwirkung von Elektronen und Licht.
Was auch bemerkenswert ist: Flache elektromagnetische Wellen wie ein Lichtstrahl können normalerweise keine dauerhaften Geschwindigkeitsänderungen von Elektronen im Vakuum hervorrufen, da die Gesamtenergie und der Gesamtimpuls des massiven Elektrons und eines Lichtteilchens (Photons) mit der Ruhemasse Null nicht erhalten bleiben können. Wenn sich jedoch zwei Photonen gleichzeitig in einer Welle bewegen, die langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ist, wird dieses Problem gelöst (Kapitza-Dirac-Effekt).
Für Peter Baum, Physikprofessor und Leiter der Gruppe Licht und Materie an der Universität Konstanz, handelt es sich bei diesen Ergebnissen noch eindeutig um Grundlagenforschung, er betont jedoch das große Potenzial für zukünftige Forschung: „Wenn ein Material von zwei unserer kurzen Pulse getroffen wird.“ In einem variablen Zeitintervall kann der erste Impuls eine Veränderung auslösen und der zweite Impuls zur Beobachtung genutzt werden – ähnlich dem Blitz einer Kamera.“
Der große Vorteil liegt seiner Ansicht nach darin, dass beim Versuchsprinzip kein Material beteiligt ist und alles im freien Raum geschieht. Für eine immer stärkere Kompression könnten in Zukunft grundsätzlich Laser beliebiger Leistung eingesetzt werden. „Unsere neue Zwei-Photonen-Kompression ermöglicht es uns, in neue Zeitdimensionen vorzudringen und vielleicht sogar Kernreaktionen zu filmen“, sagt Baum.
Mehr Informationen:
Maxim Tsarev et al., Nichtlinear-optische Quantenkontrolle von Materiewellen freier Elektronen, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02092-6