Rekord für kürzeste kontrollierbare Zeit aufgestellt

Ultrakurzer Lichtimpuls mit stabilisierter optischer Phase. Ein ultrakurzer Lichtimpuls besteht aus wenigen Schwingungen des Lichtfeldes (rote oder blaue Linie). Schwarze Linien: Feldeinhüllende des Impulses. Die maximale Feldstärke des Impulses wird erreicht wenn das Maximum des Feldes mit dem Impulszentrum zusammenfällt (rote Linie). Mit dem neu entwickelten Verfahren wird diese Schwingungsform des Feldes stabilisiert. Die gelb bzw. grün umrandeten Vergrößerungen zeigen die geringsten zeitlichen Schwankungen der Wellenform, die bisher erreicht wurden (ca. 100 Attosekunden, Laser-Regelung) und die mit dem neuen Verfahren der direkten Feldsynthese erreicht wurden (12 Attosekunden). Abb.: MBI

Optische Verfahren erlauben Echtzeituntersuchungen auf kürzesten Zeitskalen, die mit anderen Methoden nicht zugänglich sind. Mit Lasern lassen sich heute Lichtimpulse von 100 Attosekunden Dauer erzeugen (1 Attosekunde = 10 hoch-18s = ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde). Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin haben jetzt einen Rekord für die kürzeste von Menschenhand kontrollierbare Zeit von 12 Attosekunden aufgestellt. Sie berichten darüber in Nature Photonics.

Licht ist eine elektromagnetische Welle sehr hoher Frequenz. Für sichtbares Licht dauert eine einzelne Schwingung des oszillierenden elektrischen Feldes nur etwa 1200-2500 Attosekunden. In ultrakurzen Lichtimpulsen führt das Licht nur einige wenige Schwingungen aus. Um die maximal mögliche Feldstärke zu erreichen, muss das Zentrum des Impulses mit einem Maximum des Feldes zusammenfallen, was der in Abb. 1 (rote Linie) gezeigten Phasenlage entspricht. Impulse aus konventionellen Kurzpulslasern weisen starke Schwankungen in der Position der Feldmaxima relativ zum Impulszentrum auf und erreichen nicht stabil die maximale Feldstärke. Deshalb wurden in den letzten Jahren Verfahren entwickelt, mit denen die Lage der Feldmaxima, das heißt die Phase der Lichtschwingung, stabilisiert werden kann.

MBI-Forscher um Günter Steinmeyer haben nun gemeinsam mit der Wiener Laserfirma Femtolasers ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie die Phasenlage der Lichtschwingung außerhalb des Lasers gezielt verändern können. Dabei wird im Gegensatz zu den bisher angewandten Methoden nicht mehr aktiv in den Laser eingegriffen, wodurch Schwankungen der Laserleistung und Impulsdauer vermieden werden und eine hohe Langzeitstabilität erreicht wird. Vielmehr erfolgt die Korrektur der Phasenlage außerhalb des Lasers in einem sogenannten akusto-optischen Frequenzschieber, der direkt ohne Regelung mit dem Mess-Signal gespeist wird. „Durch diese direkte Korrektur der Phasenlage werden viele Experimente in der Attosekundenphysik und der Frequenzmetrologie dramatisch vereinfacht“, ist Steinmeyer überzeugt.

Bisher war eine Stabilisierung der Lage der Feldknoten im Bereich von etwa 100 Attosekunden (10 hoch-16 s, entsprechend 1/20 der Wellenlänge) möglich, was auch den kürzesten bisher erreichten Attosekundenimpulsen entspricht. Mit der neuen Methode ist es nun gelungen, diese Begrenzung auf 12 Attosekunden (1,2 x 10 hoch-17 s, 1/200 der Wellenlänge) zu reduzieren. Hiermit konnte erstmals die Schallmauer der atomaren Zeiteinheit (24 Attosekunden) unterschritten werden, die die Größenordnung der schnellsten denkbaren Prozesse in der Atomhülle markiert. Dieses eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung schnellster in der Natur vorkommender Prozesse.

Der Rekord wurde in enger Zusammenarbeit mit der Firma Femtolasers erreicht, die einen speziell optimierten Laser für die Experimente zur Verfügung gestellt hat. Basierend auf dieser Kooperation wurde das neue Verfahren unmittelbar transferiert. Femtolasers arbeitet bereits an einer kommerziellen Umsetzung dieses neuen Verfahrens.

Quelle: Forschungsverbund Berlin e.V.