Ein zweiter Laser: Für die verrückte elektronische Fotografie

So wie wir Licht nutzen, um die makroskopische Welt um uns herum zu beobachten, können wir Licht auch nutzen, um die subatomare Welt zu erforschen. Ein Grundsatz muss jedoch beachtet werden: Jede Messung muss schneller sein als die Zeit, die für eine signifikante Änderung des untersuchten Systems erforderlich ist, andernfalls können nur vage Ergebnisse erzielt werden.
In einem Molekül bewegen sich Atome auf der Zeitskala von Femtosekunden (Billionstel einer Sekunde, 10^-15 Sekunden), ihre Positionen und Energien ändern sich in einer bis einigen hundert Attosekunden, und um ihre Bewegung zu messen, ist die Femtosekunden-Technologie „fähig“. Hilft nicht.
Wie kurz ist eine Attosekunde? 1 Attosekunde entspricht 10^-18 Sekunden, also einem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. 1 Attosekunde entspricht 1 Sekunde des Alters des Universums (13,8 Milliarden Jahre). Ein Lichtstrahl, der von einer Seite des Raums zur gegenüberliegenden Wand wandert, benötigt 10 Milliarden Bogensekunden.
Das „echte Leben“ des Attosekundenpulses
Wie bekommt man einen Lichtimpuls auf die Attosekundenskala? Theoretisch können durch die Kombination kurzwelliger Laserpulse mehrerer Wellenlängen kürzere Lichtpulse erzeugt werden.
Wei Zhiyi, ein Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erklärte dem Reporter von Science and Technology Daily: „Um neue Wellenlängen zu erzeugen, ist nicht nur ein Femtosekundenlaser erforderlich, sondern auch eine Fokussierung auf das Gas durch.“ Die Wechselwirkung von Licht- und Gasatomen erzeugt die sogenannten hohen Harmonischen. Hohe Harmonische sind ein Zyklus im Antriebslaser, die Erzeugung von zwei Zyklen der Welle.
Im Jahr 1987 richteten Lhuillier und Kollegen einen Infrarot-Laserstrahl auf ein Inertgas und stellten fest, dass die erzeugten Harmonischen zahlreicher und stärker waren als diejenigen, die zuvor mit Laserantrieben mit kürzerer Wellenlänge erzeugt wurden, und dass viele der beobachteten Harmonischen ähnliche Lichtintensitäten aufwiesen.
Weitere Studien ergaben, dass sich die Harmonischen unter den richtigen Umständen überlappten und eine Reihe von Laserimpulsen im ultravioletten Band erzeugten, von denen jeder nur wenige hundert Attosekunden lang war.
Im Jahr 2001 gelang es Agostini und seinen Kollegen in Frankreich, eine Reihe von Impulsfolgen mit einer Dauer von nur 250 Arsec zu erzeugen. Den umgekehrten Weg gingen Ferenc Krauss und seine Partner in Österreich: Sie isolierten einzelne isolierte Lichtimpulse mit einer Dauer von 650 Bogensekunden und verfolgten und untersuchten damit den Prozess des „Herausziehens“ von Elektronen aus Atomen.
„Es ist die Arbeit dieser drei Wissenschaftler, die die Forscher seit mehr als einem Jahrzehnt durch Einfallsreichtum und unermüdlichen Einsatz vertreten, um die ultraschnelle Wissenschaft in das Zeitalter der Attosekunden zu führen.“ sagte Wei Zhiyi.
Vielversprechend in vielen Bereichen: „Zeigen Sie Ihr Können“
Ein kleiner Kolibri kann 80 Mal pro Sekunde mit den Flügeln schlagen, was das menschliche Auge nicht sehen kann, aber mit einer Hochgeschwindigkeitskamera kann er in einen klaren Rahmen des Geschehens eingerahmt werden.
„Ein zweiter Lichtimpuls dient genau der Untersuchung der mikroskopischen Materialwelt einer ‚Hochgeschwindigkeitskamera‘, mit der das zur Beobachtung gerahmte Elektron ‚rasen‘ kann.“ Wei Zhiyi sagte hoffnungsvoll: „Das Studium und Verständnis von Elektronen auf einer so kurzen Zeitskala (von Attosekunden) wird voraussichtlich die schnelle Entwicklung ultraschneller Elektronik erleichtern, die eines Tages möglicherweise zu leistungsstärkeren Computerchips führen könnte. Es ermöglicht uns auch, Moleküle zu unterscheiden.“ basierend auf ihren elektronischen Eigenschaften zu entwickeln und sie für eine schnelle und genaue Krankheitsdiagnose zu nutzen.“
Laut Wei Zhiyi forschen derzeit neben den oben genannten Forschungsteams auf internationaler Ebene auch eine Reihe von Forschungsteams in den Vereinigten Staaten, Kanada, Italien, der Schweiz, Japan, Südkorea und anderen Ländern an der Entstehung von Attosekundenpulse und ihre Anwendungen in vielen Bereichen wie Physik, Chemie und Biologie.
„Zum Beispiel stellte das Team von Prof. Chang Zenghu an der University of Central Florida in den Vereinigten Staaten zweimal den Weltrekord für den kürzesten Attosekundenpuls auf, 2012 und 2017, und den 43-Attosekundenpuls, der von der Schweizerischen Bundesanstalt erstellt wurde of Technology im Jahr 2017 hält bisher den aktuellen Weltrekord für die kürzeste Zeit. Insbesondere hat die EU in Ungarn die Extreme Light Facility (ELI-ALPS) mit Attosekundenlasern als Hauptkomponente gebaut, um Wissenschaftlern in verschiedenen Bereichen die Möglichkeit zu geben, dies zu tun Attosekunden-wissenschaftliche Forschung betreiben.“ Wei Zhiyi zählt die Ergebnisse im Bereich der Attosekunde.
Chinesische Wissenschaftler legen ebenfalls großen Wert auf die Erforschung von Attosekunden-Lichtimpulsen. Das Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das Shanghai Institute of Optical Mechanics, das Xi'an Institute of Optical Mechanics, die Peking University, die East China Normal University, die National University of Defense Technology, die Huazhong University of Science and Technology und andere Einheiten tragen Forschung auf dem Gebiet der Attosekundenwissenschaft. 2013 gelang es Wei Zhiyis Gruppe erstmals in China, den isolierten Attosekundenpuls von 160 Attosekunden zu erzeugen und zu messen, und entwickelt sich nun weiter in Richtung kürzerer Pulsbreiten, höherer Energien und höherer Wiederholungsfrequenzen, was den chinesischen Wissenschaftlern die Möglichkeit bieten wird eigene Attosekundenlaser zu entwickeln. In Kombination mit der Endgeräteausrüstung bietet es eine international führende Plattform und Einrichtungen für die Erforschung von Attosekundenlasern in den Bereichen Festkörperphysik, Atom- und Molekularphysik, Chemie, Biomedizin, Information und Energie.