Ultrakurze Laserblitze – der Mikrokosmos in extremer Zeitlupe


Wellenfunktion für zwei Elektronen in doppelt angeregtem Helium.

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 die atomare oder molekulare Dynamik extrem präzise gesteuert werden kann. Elektronen, die durch ein starkes Laserfeld von einem Atom getrennt und hin- und hergetrieben werden, kehren zu ihm zurück und sondieren dabei seine Struktur. Die Wellennatur des Elektrons erzeugt Interferenzeffekte wie in einem Hologramm, dessen Auswertung die zeitabhängige Wechselwirkung mit den restlichen Elektronen des Atoms ergibt.

Meist wird eine ‚Pump-Probe‘-Anordnung eingesetzt, d. h. 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 einer fs-Auflösung ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet. In Kombination mit der REMI-Technologie konnte die Zeitspanne bestimmt werden, in der sich Atome innerhalb eines Moleküls umlagern. Isomerisierung spielt z. B. auch im Sehvorgang eine wichtige Rolle.

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 IR-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 attosekundengenau exakt eingestellt werden. Zusammen mit Spektroskopie oder abbildenden Detektoren lassen sich so die Quantenbewegungen von Kernen und Elektronen bei chemischen Reaktionen direkt und zeitaufgelöst beobachten (und kontrollieren). Das MPIK ist einer der drei MPG-Partner im „Max Planck Centre for Attosecond Science”.

Außerdem nutzen MPIK-Forscher die UV- und Röntgenpulse der Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH), Japan (SCSS) und Stanford (LCLS), und sie tragen zu der zukünftigen Infrastruktur für extremes Licht, ELI, bei.

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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


Fragmentierung eines DNS-Bausteins durch 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. Erstmals konnte beobachtet werden, wie die räumliche Struktur und Ausrichtung eines Moleküls die Richtung der herausgeschlagenen Elektronen beeinflusst. Im Stoß kann das Molekül auch in mehrere Bruchstücke zerbrechen; dies spielt in biologischem Gewebe die entscheidende Rolle, da z. B. das DNS-Molekül (Träger der Erbinformation einer Zelle) verändert oder zerstört werden kann. Am MPIK wird untersucht, wie die Bausteine der DNS durch Elektronenbeschuss zerbrechen. Das Endprodukt hängt davon ab, welches der molekularen Elektronen herausgeschlagen wird. 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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Quantenkontrolle – Laser steuern Atome und Kerne


Experiment zur nuklearen Quantenoptik mit Röntgenstrahlung.

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. Ein wichtiger Schritt hierzu ist die Präparation von robusten Überlagerungen von Quantenzuständen. Theoretische Vorhersagen hierzu konnten bereits in einem Experiment mit Atomkernen einer Eisenprobe bestätigt werden, die – eingebettet in einen Resonator für Röntgenlicht – in die gewünschte Zustandsüberlagerung gebracht werden konnten.

Andere, bislang noch theoretische Untersuchungen gehen der Frage nach, wie Energie von Röntgenquanten in langlebigen Kernzuständen gespeichert und gezielt wieder abgerufen werden kann.

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Max-Planck-Gesellschaft

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