Materie in starken Laserfeldern – an den Grenzen des Machbaren

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 untersucht werden die Effekte extrem starker Felder, auch solche, die experimentell noch nicht zugänglich sind. Dies erfordert die Suche nach Mehrteilchen-Lösungen der zeitabhängigen Schrödinger- und Dirac-Gleichungen. Außerdem werden Quantenelektrodynamik, Kerneffekte und Paarerzeugung betrachtet.

Ein Thema ist die Rolle der Zeit in quantenmechanischen Prozessen, wie der Tunnel­ionisation in ultrastarken Feldern. Die Frage, wie lange ein Elektron zum Tunneln braucht, wird kontrovers diskutiert: Braucht es Zeit oder nicht? Theoretische Überlegungen auf Basis eines Konzepts von Nobelpreisträger Eugene Wigner sagen eine endliche Tunnelzeit voraus. Kürzlich gelang es in einer theoretisch-experimentellen Arbeit, mit einem verfeinerten Modell die Wigner-Zeit in eine messbare Größe zu übersetzen. Eine genaue Analyse der von ultrakurzen zirkular polarisierten Laserpulsen aus Edelgasen freigesetzten Elektronen lieferte Hinweise auf eine Tunnelzeit von bis zu 180 Attosekunden (1 as = 10–18 s).

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, also auf die leicht zu beschleunigenden Elektronen, wurde in den vergangenen Jahrzehnten intensiv untersucht. Dagegen lassen sich Atomkerne, welche durch die Starke Wechselwirkung gebunden sind, auch durch extrem starke optische Lichtfelder kaum beeinflussen. Stattdessen sollten Gamma-Laser wie ELI eine Möglichkeit der direkten Kernanregung durch Gammastrahlung mit Photonenenergien von Megaelektronvolt (MeV) eröffnen. Erste theoretische Ansätze zu dieser neuen Form der Laser-Materie-Wechselwirkung wurden am MPIK entwickelt. Absorption eines Gammaphotons führt zur Anregung eines einzelnen Nukleons. Danach strebt das System zum statistischen Gleichgewicht. Neue Einsichten in die Kerne ergeben sich, wenn die Absorption mehrerer Photonen schnell genug ist, um mit der Gleichverteilung zu konkurrieren, wodurch mehrere Nukleonen angeregt werden. Die Studien zeigten, dass Mehrfachabsorption zusammengesetzte Kerne mit einigen hundert MeV Anregungsenergie produzieren kann – einem bisher unerforschten Bereich.

Abteilung Keitel

Theorie kollektiver und relativistischer Quantendynamik in starken Laserfeldern (pdf)

Starkfeld-Quantenelektrodynamik – das Vakuum modifizieren

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.

Abteilung Keitel     Abteilung Blaum

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

Laser-Astrophysik – kosmische Beschleuniger im Labormaßstab

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 Zusammenarbeit mit externen experimentellen Gruppen wurde am MPIK die Produktion von ultrarelativistischen Lepton-Strahlen aus gleichen Anteilen von 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      Gruppe Reville

Lasermodifizierte Quantenelektrodynamik, Kern- und Hochenergieprozesse (pdf)

Quantenkontrolle – Laser steuern Atome und Kerne

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.

Abteilung Pfeifer      Abteilung Keitel

"Filme" und "Klänge" von Atomen und Molekülen (pdf)