Ultrakurze Laserblitze – der Mikrokosmos in extremer Zeitlupe


Mit einem Reaktionsmikroskop aufgenommenes Bild von Wellenpaketen eines Elektrons, während es ein Atom verlässt. Mit dem intensiven Laserlicht, das eine Schwingungsperiode von wenigen Femtosekunden hat, entstehen Interferenzmaxima und -minima.

Wie entwickelt sich ein Quantensystem in der Zeit und können wir diese Bewegung sichtbar machen oder gar kontrollieren? Dieser alte Wunschtraum der Physiker seit den Anfängen der Quantenmechanik ist heute ein reales und wachsendes Forschungsgebiet. Die Zeitskalen für die hier ablaufenden Vorgänge sind extrem kurz: In chemischen Reaktionen verlagern sich Atome innerhalb von 10 bis einigen 100 Femtosekunden (1 fs = 10–15 s); noch schneller sind die Elektronen, welche die chemische Bindung vermitteln: hier sind Attosekunden (1 as = 10–18 s) das charakteristische Zeitmaß.

Zeitaufgelöste Experimente beruhen auf ultrakurzen Laserpulsen, mit denen man die atomare oder molekulare Dynamik extrem präzise steuern kann. Elektronen werden durch ein starkes Laserfeld von einem Atom getrennt und hin- und hergetrieben, kehren zu ihm zurück und sondieren dabei seine Struktur. Die Wellennatur des Elektrons erzeugt Interferenzeffekte wie in einem Hologramm, woraus sich die zeitabhängige Wechselwirkung mit den restlichen Elektronen des Atoms ergibt.

Meist wird eine „Pump-Probe“-Anordnung eingesetzt: der erste „Pump“-Laserpuls präpariert das System in der gewünschten Weise und startet die zeitliche Entwicklung, die dann der zweite Laserpuls abtastet. So lassen sich Molekülbewegungen wie Schwingung und Rotation verfolgen. Die Beobachtung chemischer Reaktionen in Echtzeit mit fs-Auflösung ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet. In Kombination mit Reaktionsmikroskopen gelang es, die extrem kurze Zeitspanne zu bestimmen, in der sich Atome innerhalb eines Moleküls umlagern.

Die Beobachtung der Elektronenbewegung benötigt noch kürzere Lichtblitze in der Größenordnung von Attosekunden. Eine Möglichkeit ist die Erzeugung hoher Harmonischer der Wellenlänge eines Femtosekunden-Lasers. Damit erreicht man heute die geforderten Pulsdauern von unter 100 Attosekunden in einem Wellenlängenbereich von wenigen 10 nm. Einen Prototyp für korrelierte Bewegung von Elektronen stellt das Helium-Atom dar. Durch Beschuss mit Ultraviolett-Attosekunden-Pulsen lassen sich beide Elektronen gleichzeitig anregen. Das so präparierte Zwei-Elektronen-Wellenpaket lässt sich mit einem weiteren fs-Laserpuls zeitabhängig abtasten und rechnerisch anhand bekannter statischer Wellenfunktionen rekonstruieren. Die Laserpulse können den elektronischen ‚Paartanz‘ sogar steuern. Eine gezielte Manipulation der Elektronenpaare in Molekülen könnte die Chemie beeinflussen und bisher unmögliche Synthesen ermöglichen.

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"Filme" und "Klänge" von Atomen und Molekülen (pdf)
Ultrakurze Laserpulse: "Chemie" in Zeitlupe (pdf)

Reaktionsmikroskope und Lasersysteme


Schema eines Reaktionsmikroskops.

Reaktionsmikroskope – „die Blasenkammern der Atom- und Molekülphysik“ – wurden am MPIK entwickelt und werden ständig weiter verbessert. Ultrastarke Laserpulse oder ein Teilchenstrahl zerbrechen einfache Moleküle. Die Fragment-Ionen und Elektronen werden mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder eingefangen und mit großflächigen zeit- und ortsempfindlichen Detektoren registriert. Aus den rekonstruierten Flugbahnen der Fragmente können ihre vollständigen Impulsvektoren abgeleitet („kinematisch vollständige Experimente“) und so auf Geometrie und Dynamik der Moleküle vor deren Zerbrechen geschlossen werden. Die Instrumente werden im Haus eingesetzt und regelmäßig für Messkampagnen zu externen Lichtquellen wie Freie-Elektronen-Lasern (FEL) transportiert. Für den kryogenen Speicherring CSR wurde ein spezielles Reaktionsmikroskop entwickelt, das derzeit aufgebaut wird. Es spielt eine Schlüsselrolle für die weltweit einzigartigen Möglichkeiten der Untersuchung von langsamen und kalten Ionen im CSR.

In den Laserlaboren des Instituts stehen phasenkontrollierte Laserpulse von 5 fs Dauer und Intensitäten bis zu 1016 W/cm2 für Experimente zur Verfügung. Noch kürzere Pulse von einigen Attosekunden Dauer werden mit speziellen nichtlinearen optischen Methoden erzeugt. Die hohe harmonische, kohärente Strahlung im ex­tremen UV-Bereich wird mit den breitbandigen Infrarot-Pulsen des Ti:Saphir-Lasers kombiniert eingesetzt. Es werden einzelne und auch doppelte und dreifache Attosekundenpulse erzeugt, um damit gasförmige Proben interferometrisch zu untersuchen. Für Pump-Probe-Messungen kann die Zeitverzögerung zwischen zwei Pulsen auf die Attosekunde exakt eingestellt werden. In Kombination mit Spektroskopie oder abbildenden Detektoren lassen sich so die Quantenbewegungen von Kernen und Elektronen bei chemischen Reaktionen direkt und zeitaufgelöst beobachten (und kontrollieren).

Außerdem nutzen MPIK-Forscher die UV- und Röntgenpulse der Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH), Japan (SCSS) und Stanford (LCLS). Außerdem sind sie an Experimenten an der Infrastruktur für extremes Licht, ELI, beteiligt.

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Atome unter Beschuss: Von Elektronen-Atom-Stößen zur Tumortherapie (pdf)
Ultrakurze Laserpulse: "Chemie" in Zeitlupe (pdf)

Atome und Moleküle in Kollision – Billardspiel mit Quantenkugeln


Strahlenschaden an DNS in Wasser durch Energieübertragung nach Elektronenstoß.

Korrelierte Quantendynamik ist aktuell eine der großen Herausforderungen für die Forschung. Wissenschaftler am MPIK erforschen die grundlegenden Prinzipien der Quantendynamik, ausgehend von einer begrenzten Anzahl weniger wechselwirkender Teilchen in Atomen und Molekülen bis hin zu komplexeren Systemen wie Clustern oder sogar Biomolekülen. Der Beschuss mit geladenen Teilchen (Elektronen, Ionen) eröffnet einen Zugang zu diesen Quantensystemen. Am MPIK entwickelte neuartige multi-koinzidente Abbildungstechniken liefern umfassende Informationen zur Mehrteilchendynamik und erlauben einen Test der Theorien für derartige Reaktionen.

Elektronenstöße spielen eine wichtige Rolle in der Umwelt, z. B. in der oberen Atmosphäre und im interstellaren Raum, wie auch in technischen Plasmen und in der Strahlenbiologie. Im Stoß kann ein Molekül in mehrere Bruchstücke zerbrechen; dies spielt in biologischem Gewebe eine entscheidende Rolle, da z. B. das DNS-Molekül verändert oder zerstört werden kann. Am MPIK wird untersucht, wie die Bausteine der DNS durch Elektronenbeschuss zerbrechen. In lebenden Zellen sind die Biomoleküle von einer Wasserhülle umgeben. Experimente haben gezeigt, dass solche hydratisierten DNS-Bausteine durch ultraschnellen Energietransfer von ionisierten Wassermolekülen sehr viel leichter angegriffen werden. Die Ergebnisse dieser Messungen können dabei helfen, sowohl die Entstehung von Tumoren als auch ihre Zerstörung mittels der Strahlentherapie besser zu verstehen.

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Atome unter Beschuss: Von Elektronen-Atom-Stößen zur Tumortherapie (pdf)

Quantenkontrolle – Laser steuern Atome und Kerne


Experiment zur nuklearen Quantenoptik mit Röntgenlicht.

Spektroskopie – die Vermessung der Absorption und Emission von Licht in Wechselwirkung mit Materie – ist eines der wichtigsten Werkzeuge der Physik. Bei resonanter Wechselwirkung werden Linienspektren beobachtet. In bestimmten Fällen interferieren diese mit einem kontinuierlichen Hintergrund und es kommt zu asymmetrischen Linienformen („Fano-Profile“). Dies lässt sich als Überlagerung gekoppelter Schwingungen veranschaulichen. Mit ultrakurzen Infrarot-Laserpulsen lässt sich der zeitliche Verlauf und damit die Quanteninterferenz kontrollieren – z. B. als Umwandlung von Absorption in Emission.

Ein neues Gebiet ist die Quantenoptik mit Röntgenstrahlung. Es nutzt die Wellennatur des Lichts, die weitere Stellschrauben zur Quantenkontrolle bietet. Ein wichtiger Schritt hierzu ist die Präparation von robusten Überlagerungen von Quantenzuständen. Theoretische Vorhersagen konnten bereits in einem Experiment mit den Atomkernen einer Eisenprobe bestätigt werden, die – eingebettet in einen Resonator für Röntgenlicht – in die gewünschte Zustandsüberlagerung gebracht werden konnten. Die Erzeugung schmalbandiger Röntgenstrahlung ist Voraussetzung für zukünftige Anwendungen, aber noch eine große experimentelle Herausforderung. Eine Studie hat kürzlich gezeigt, dass die makroskopische Bewegung einer Probe Photonen innerhalb des Röntgenpulses so verschieben kann, dass sich diese im gewünschten Bereich konzentrieren. Das beruht auf den von Rudolf Mößbauer am Vorgängerinstitut des MPIK 1958 entdeckten Prinzipien.

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Max-Planck-Gesellschaft

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Wasser verstärkt Strahlenschäden

Durch den Energietransfer von der Hydrathülle auf ein...


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Intensives Licht verlangsamt hochenergetische Elektronen

Evidenz für Quanteneffekte der Strahlungsrückwirkung