Materie in starken Laserfeldern – Blick in die Zukunft


Tunnelionisation eines hochgeladenen Ions bei relativistischen Laserintensitäten: Das Wellenpaket des Elektrons (grün) tunnelt durch eine Potentialbarriere (blau) in Richtung des elektrischen Feldes und wird dabei durch den ‚Lichtdruck‘ in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls verschoben.

Die Erforschung der Wechselwirkung von Materie mit Laserpulsen ist so weit fortgeschritten, dass grundlegende Aspekte wie die Quantennatur von Licht und Materie, Relativität und Kopplungen unter den beteiligten Teilchen in den Fokus rücken und zugleich eine Herausforderung darstellen. Theoretisch werden die Effekte extrem starker Felder untersucht, die experimentell noch nicht, aber wohl in naher Zukunft, zugänglich sind.

Wenn intensive Laserfelder auf Materie treffen, koppeln die Elektronen stark an das äußere Feld und absorbieren so effizient Energie daraus. Dabei können sie so schnell werden, dass relativistische Effekte eine wichtige Rolle spielen. Dies erfordert die Suche nach Lösungen der zeitabhängigen Schrödinger- und Dirac-Gleichungen einschließlich Elektronen-Korrelationen.

Relativistische Effekte zeigen sich auch in fundamentalen quantenmechanischen Prozessen, wie z. B. der Tunnelionisation in ultrastarken Feldern. Insbesondere die Frage, wie lange ein Elektron hier zum Tunneln braucht, wird kontrovers diskutiert und ist bis heute ungelöst. Experimentelle Versuche, die Tunnelzeit direkt zu messen, waren bisher nicht erfolgreich. Auf theoretischem Wege konnten aber hierzu neue Erkenntnisse gewonnen werden. Danach zeigt sich schon während des Tunnelns eine Wirkung der magnetischen Komponente des Laserfeldes auf das Elektron, der so genannte „Lichtdruck“ – ein Effekt, der im Prinzip experimentell an hochgeladenen Ionen beobachtetet werden könnte und direkte Konsequenzen für Tunnelzeiten hat.

Frequenzkämme im Röntgenbereich würden strenge Tests physikalischer Theorien und exakte Messungen fundamentaler Konstanten erlauben. Eine neu vorgeschlagene Methode, solche Frequenzkämme zu erzeugen, basiert auf einem Gas, das mit Laserpulsen in einen metastabilen Zustand gepumpt wird, aus dem ein optischer Frequenzkamm den strahlenden Zustand bevölkert, was zur Emission eines Röntgen-Frequenzkamms führt.

Die Wirkung intensiver Laserfelder auf Atome, d. h. im Wesentlichen auf die leicht zu beschleunigenden Elektronen, wurde in den vergangenen Jahrzehnten intensiv untersucht. Dagegen lassen sich Atomkerne, welche durch die Starke Wechselwirkung gebunden sind, kaum durch selbst extrem starke optische Lichtfelder beeinflussen. Der Grund ist, dass selbst die niedrigsten Anregungsenergien in Atomkernen einige 10.000 mal größer sind als die Energie eines einzelnen Lichtteilchens (Photon) – selbst für Multiphotonprozesse praktisch unerreichbar. Indirekt lassen sich aber geladene Teilchen mit optischen Laserfeldern auf hohe Energien beschleunigen. Bei Kernen, die Alphazerfall zeigen, könnten letztere durch Beschleunigung im Feld und Rekollision mit dem Mutterkern diesen anregen. Die notwendigen Intensitäten von 1022 – 1023 W/cm2 sind heute schon erreichbar und derartige Prozesse zwar selten, aber im Prinzip nachweisbar.

Eine andere Möglichkeit der direkten Kernanregung durch Gammastrahlung könnten in der nicht allzu fernen Zukunft Gamma-Laser wie ELI eröffnen. Im Unterschied zur herkömmlichen Anregung in Schwerionen-Kollisionen würde damit das bisher völlig unerforschte Gebiet hoher Anregungsenergien bei gleichzeitig niedrigem Drehimpuls (Rotation des Kerns) erschlossen. Erste theoretische Ansätze zu dieser neuen Form der Laser-Materie-Wechselwirkung wurden am MPIK entwickelt.

Abteilung Keitel

Theorie kollektiver und relativistischer Quantendynamik in starken Laserfeldern (pdf)

Rechnen


Der Serverraum im Keller des Bothelabors.

Systeme der theoretischen Quantendynamik können nur eingeschränkt analytisch, also mit mathematischen Formeln, berechnet werden; häufig sind numerische Verfahren erforderlich. Dafür kommen neben teilweise modifizierten Standardcodes vor allem eigene Programme zum Einsatz. Die aufwändigen Rechnungen zu relativistischen Prozessen und Vielteilchensystemen, die oft Tage dauern, sind nur durch den Einsatz paralleler Rechnerarchitekturen wie Hochleistungsgrafikkarten oder Linux-Cluster möglich. Der zentrale Linux-Cluster des Instituts besteht aus 160 PCs mit insgesamt über 2500 Prozessorkernen und 20 Terabyte Arbeitsspeicher. Zur Datenspeicherung steht ein Festplattensystem mit hoher Kapazität zur Verfügung.

Abteilung Keitel

Starkfeld-Quantenelektrodynamik – das Vakuum modifizieren


Schema der QED-Beiträge zum magnetischen Moment eines gebundenen Elektrons (blau, Atomkern grün), das über virtuelle Photonen (Schlangenlinien) mit einem äußeren Magnetfeld (u.) und mit sich selbst (o.) wechselwirkt.

Elektromagnetismus wird von der Quantenelektrodynamik (QED) als Austausch sogenannter virtueller Photonen zwischen geladenen Teilchen beschrieben. Aus dieser Theorie folgt auch, dass es keinen leeren Raum gibt, das Vakuum also von virtuellen Teilchen erfüllt ist. Bedingt durch die Quantenunschärfe existieren sie zwar jeweils nur für sehr kurze Zeitspannen, aber ihre mittlere Anzahl macht sich bemerkbar und kann mit Präzisionsexperimenten nachgewiesen werden. Zugleich ist die QED die am besten getestete Theorie der Physik.

Von besonderem Interesse ist die QED in extrem starken Feldern. Neben hochpräzisen Berechnungen der inneren Struktur von Materie (z. B. hochgeladene Ionen) behandelt die Theorie Grundlagen der radiativen Reaktion: Ein in einem elektromagnetischen Feld beschleunigtes geladenes Teilchen emittiert elektromagnetische Strahlung, die dann auf die Teilchenbewegung rückwirkt. Die zugrunde liegenden Fragen können mit intensiven Laserfeldern untersucht werden. Quanteneffekte der radiativen Reaktion von Elektronen sollten mit heutigen Lasersystemen zugänglich sein. Dies hat auch für Vielteilchensysteme wie relativistische Plasmen Bedeutung.

Durch ihre Wirkung auf die geladenen virtuellen Teilchen polarisieren sehr starke elektrische Felder das Vakuum und ändern so dessen Brechungsindex: So wurde berechnet, wie Licht an einem materielosen Doppelspalt (benachbarte Brennpunkte zweier ultraintensiver Laserstrahlen) gestreut werden kann. Sehr starke elektrische Felder herrschen auch in der Nähe der Kerne schwerer Elemente.

Wichtige Beiträge liefert das Zusammenspiel von Theorie und Experiment zur Ermittlung fundamentaler Eigenschaften wie den g-Faktor (Verhältnis von Drehimpuls und magnetischem Moment) des Elektrons. Vergleiche mit Präzisionsmessungen ermöglichen einerseits, QED-Vorhersagen zu überprüfen, andererseits hilft die Theorie Naturkonstanten wie die Elektronenmasse zu bestimmen: der neueste Wert ist um einen Faktor 13 genauer.

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Lasermodifizierte Quantenelektrodynamik, Kern- und Hochenergieprozesse (pdf)
Penningfallen: Präzisionsmessungen an einzelnen Ionen

Laser-Astrophysik – kosmische Beschleuniger im Labormaßstab


Schemazeichnung des experimentellen Aufbaus zur optischen Erzeugung eines Strahls aus Elektronen, Positronen und Gammastrahlen.

Hochintensive Laserfelder erlauben heute schon die Beschleunigung von Teilchen bis in die Größenordnung von Gigaelektronenvolt (GeV). Dies eröffnet die Möglichkeit im Labor physikalische Bedingungen nachzubilden, wie sie in extremen astrophysikalischen Prozessen herrschen. In einer gemeinsamen Arbeit mit externen theoretischen und experimentellen Gruppen wurde am MPIK die Produktion von ultrarelativistischen Lepton-Strahlen (Elektronen und Positronen) modelliert. Dabei konnte die Umwandlung von Bremsstrahlung in Elektron-Positron-Paare als wesentlicher Mechanismus identifiziert werden. Die Untersuchung solcher hochenergetischer Prozesse im Labormaßstab ist von zentraler Bedeutung für die Astrophysik: Kosmische Gammastrahlenausbrüche z. B. entstehen nach derzeitigem Verständnis durch extrem gebündelte ultrarelativistische leptonische Jets bei bestimmten Typen von kollabierenden Sternen entlang deren Rotationsachse.

Abteilung Keitel

Lasermodifizierte Quantenelektrodynamik, Kern- und Hochenergieprozesse (pdf)

Max-Planck-Gesellschaft

21.06.18

Doppelte Auszeichnung für Lisa Schmöger

Otto-Hahn-Medaille und Otto Hahn Award


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Wie Cluster die Temperatur ihrer Umgebung annehmen

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07.06.18

Neue Wege in die „Terra incognita“ der Nuklidkarte

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