Wissenschaftler der Universität Konstanz haben eine Methode entwickelt, die mithilfe von Femtosekundenblitzen etwa fünf Attosekunden lange Elektronenimpulse erzeugt. Dieser Durchbruch bietet eine höhere Zeitauflösung als Lichtwellen und ebnet den Weg für die Beobachtung ultraschneller Phänomene wie Kernreaktionen. Dies ist auch eines der kürzesten Signale, die jemals von Physikern erzeugt wurden.
Molekulare oder Festkörperprozesse in der Natur können manchmal auf Zeitskalen von nur Femtosekunden (vier Milliardstel Sekunden) oder Attosekunden (fünf Milliardstel Sekunden) ablaufen. Kernreaktionen laufen noch schneller ab. Jetzt erreichen die Wissenschaftler Maxim Tsarev, Johannes Thurner und Peter Baum von der Universität Konstanz mit einem neuen Versuchsaufbau Signale von Attosekundendauer, also einem Milliardstel einer Nanosekunde, und eröffnen damit neue Perspektiven auf dem Gebiet ultraschneller Phänomene.
Selbst Lichtwellen können eine solche Zeitauflösung nicht erreichen, weil eine einzelne Schwingung zu lange dauert. Abhilfe schaffen Elektronen, die die zeitliche Auflösung deutlich verbessern können. In ihrem Versuchsaufbau erzeugten die Konstanzer Forscher mit zwei Femtosekundenblitzen eines Lasers extrem kurze Elektronenpulse in einem Freiraumstrahl. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Wie machen Wissenschaftler das?
Ähnlich wie Wasserwellen können auch Lichtwellen überlagert werden, um die Kämme und Täler stehender oder wandernder Wellen zu erzeugen. Die Physiker haben den Einfallswinkel und die Frequenz so gewählt, dass sich resonante Elektronen, die sich im Vakuum mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegen, mit den Wellenbergen und -tälern von Lichtwellen überlappen, die sich mit genau derselben Geschwindigkeit fortbewegen. Die sogenannte „Denkkraft“ schiebt die Elektronen in Richtung des nächsten Wellentals. Daher entsteht nach einer kurzen Wechselwirkung eine Reihe extrem kurzer Elektronenpulse – insbesondere in der Mitte der Pulssequenz, wo das elektrische Feld sehr stark ist.
Der Elektronenpuls dauert kurzzeitig nur etwa fünf Attosekunden. Um diesen Prozess zu verstehen, haben die Forscher die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen nach der Kompression gemessen. Der Physiker Johannes Tourner erklärt: „Die Geschwindigkeit des Ausgangspulses ist nicht sehr gleichmäßig, sondern sehr breit verteilt, was auf eine starke Abbremsung oder Beschleunigung einiger Elektronen während des Kompressionsprozesses zurückzuführen ist. Mehr noch: Diese Verteilung ist nicht glatt, sondern besteht aus Tausenden von Geschwindigkeitsschritten, da jeweils nur eine ganzzahlige Anzahl von Lichtteilchenpaaren mit den Elektronen wechselwirken kann.“
Forschungsbedeutung
Der Wissenschaftler sagte, dass es sich dabei aus quantenmechanischer Sicht um die zeitliche Überlagerung (Interferenz) von Elektronen mit sich selbst handelt, nachdem sie zu unterschiedlichen Zeiten die gleiche Beschleunigung erfahren haben. Dieser Effekt hängt mit quantenmechanischen Experimenten zusammen – etwa der Wechselwirkung von Elektronen mit Licht.
Bemerkenswert ist auch, dass ebene elektromagnetische Wellen wie Lichtstrahlen im Allgemeinen keine dauerhaften Geschwindigkeitsänderungen bei Elektronen im Vakuum hervorrufen können, da die Gesamtenergie und der Gesamtimpuls massiver Elektronen und Lichtteilchen (Photonen) mit einer Ruhemasse von Null nicht konstant bleiben können. Dieses Problem kann jedoch durch die gleichzeitige Anwesenheit zweier Photonen in einer Welle gelöst werden, die langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ist (Capizza-Dirac-Effekt).
Für Peter Baum, Professor für Physik an der Universität Konstanz und Leiter der Arbeitsgruppe Licht und Materie, sind diese Ergebnisse eindeutig noch Grundlagenforschung, er betont aber das große Potenzial für zukünftige Forschung: „Wird ein Material durch zwei unserer kurzen Pulse in unterschiedlichen Zeitabständen geschockt, kann der erste Puls Veränderungen hervorrufen und der zweite Puls zur Beobachtung genutzt werden – ähnlich dem Blitz einer Kamera.“
Er glaubt, dass der größte Vorteil darin besteht, dass beim experimentellen Prinzip keine Materialien beteiligt sind und alles im freien Raum abläuft. Für eine stärkere Kompression könnten in Zukunft grundsätzlich Laser beliebiger Leistung eingesetzt werden. „Unsere neue Zwei-Photonen-Squeezing-Technik ermöglicht es uns, in neue Dimensionen der Zeit vorzudringen und sogar Kernreaktionsprozesse zu filmen“, sagte Baum.