Atomare Terahertz-Schwingungen lösen das Rätsel ultrakurzer Soliton-Moleküle

Stabile Lichtwellenpakete – optische Solitonen genannt – werden in Ultrakurzpulslasern als Kette von Lichtblitzen emittiert. Diese Solitonen verbinden sich oft zu Paaren mit sehr kurzem zeitlichem Abstand. Mit atomaren Schwingungen im Terahertz-Bereich haben Forscher der Universitäten Bayreuth und Wrocław nun das Rätsel gelöst, wie diese zeitlichen Verknüpfungen zustande kommen. Sie berichten über ihre Entdeckung in Naturkommunikation. Die Dynamik der eingekoppelten Lichtpakete kann genutzt werden, um atomare Schwingungen als charakteristische „Fingerabdrücke“ von Materialien extrem schnell zu messen.

In Ultrakurzpulslasern können optische Solitonen besonders enge räumliche und zeitliche Bindungen eingehen. Diese werden auch ultrakurze „Soliton-Moleküle“ genannt, weil sie ähnlich wie die chemisch gebundenen Atome eines Moleküls stabil aneinander gekoppelt sind. Wie diese Kopplung zustande kommt, untersuchte die Forschergruppe in Bayreuth mit einem weit verbreiteten Festkörperlaser aus einem mit Titanatomen dotierten Saphirkristall. Zunächst regt ein einzelner Lichtblitz die Atome im Kristallgitter des Saphirs zu sofortiger Schwingung an. Diese charakteristische Bewegung schwingt im Terahertz-Bereich und klingt innerhalb weniger Pikosekunden wieder ab (eine Pikosekunde entspricht einer Billionstel Sekunde). In dieser extrem kurzen Zeitspanne ändert sich der Brechungsindex des Kristalls. Als unmittelbar ein zweiter Lichtblitz folgt und den ersten einholt, spürt es diese Veränderung: Es wird nicht nur leicht von den atomaren Schwingungen beeinflusst, sondern kann auch stabil an das vorhergehende Soliton gebunden werden. Ein „Soliton-Molekül“ wird geboren.

„Der von uns entdeckte Mechanismus basiert auf den physikalischen Effekten der Raman-Streuung und der Selbstfokussierung. Er erklärt eine Vielzahl von Phänomenen, die die Wissenschaft seit der Erfindung des Titan-Saphir-Lasers vor über 30 Jahren vor Rätsel gestellt haben. Besonders spannend an der Entdeckung ist dass wir nun die Dynamik von Solitonen während ihrer Erzeugung in der Laserkavität nutzen können, um atomare Bindungen in Materialien extrem schnell zu scannen: Die gesamte Messung eines sogenannten Intracavity-Raman-Spektrums dauert jetzt weniger als eine Tausendstelsekunde. Diese Erkenntnisse könnten helfen besonders schnelle chemisch sensitive Mikroskope zu entwickeln, mit denen sich Materialien identifizieren lassen. Darüber hinaus eröffnet der Kopplungsmechanismus neue Strategien, um Lichtpulse durch atomare Bewegungen zu steuern und umgekehrt einzigartige Materialzustände durch Lichtpulse zu erzeugen“, erklärt Juniorprofessor Dr Georg Herink, Studienleiter und Juniorprofessor für ultraschnelle Dynamik an der Universität Bayreuth.

Parallel zur Analyse experimenteller Daten ist es den Forschern gelungen, ein theoretisches Modell zur Dynamik von Solitonen zu entwickeln. Das Modell ermöglicht es, die in Experimenten gewonnenen Beobachtungen zu erklären und neuartige Effekte von atomaren Schwingungen auf die Dynamik von Solitonen vorherzusagen. Die Wechselwirkungen von Solitonen in optischen Systemen und ihre Anwendungen für die Hochgeschwindigkeitsspektroskopie werden derzeit im DFG-Forschungsprojekt FINTEC an der Universität Bayreuth untersucht.