Interview mit Nobelpreisträgerin Anne L'Huillier über die Entdeckung ihrer Vision des Attosekundenlaserpulses

Der Nobelpreis für Physik 2023 ging an Anne L'Huillier und ihre beiden Kollegen Pierre Agostini und Ferenc Krausz, und erst kürzlich verlieh die Berthold Leibinger Stiftung der Kernphysikerin den Berthold Leibinger Zukunftspreis. Leibinger Zukunftspreis. In einem exklusiven Interview erzählt uns Anne L'Huillier, die gerade mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, über die Forschung an Attosekunden-Laserpulsen.
F: Prof. L'Huillier, wenn Sie bei einer Grillparty wären und jemand Sie fragen würde, was Sie beruflich machen, was würden Sie sagen?
L＇Huillier: Normalerweise würde ich sagen, dass ich hauptsächlich in der Laserphysik und Atomphysik arbeite. Unser Team kann mit sehr, sehr kurzen Laserlichtimpulsen beleuchten, was es ermöglicht, einige Prozesse zu fotografieren, die sehr schnell ablaufen, beispielsweise die Bewegung von Elektronen. Man kann es sich wie den Blitz einer normalen Kamera vorstellen.
F: Wenn Sie „sehr, sehr kurz“ sagen, meinen Sie …?
L＇Huillier: Nur wenige Attosekunden lange Laserpulse.
F: Können Sie eine Attosekunde kurz beschreiben?
L＇Huillier: Es ist eigentlich sehr schwer zu beschreiben. Ich denke, es wäre vielleicht einfacher, eine Analogie zu verstehen: 1 Attosekunde entspricht 1 Sekunde, was 1 Sekunde dem Gesamtalter des Universums (14 Milliarden Jahre) entspricht. Aber ich bin mir nicht so sicher, ob diese Beschreibung Ihnen wirklich hilft, die Attosekunde zu verstehen.
F: Nun, es könnte ein wenig helfen.
L＇Huillier: Wir werden immer das Gefühl haben, dass eine Attosekunde nicht in einer Zeit wahrgenommen werden kann, die Menschen verstehen können. Glücklicherweise können wir es jedoch mit Hilfe mathematisch-naturwissenschaftlicher Abstraktionstheorien sowie Experimenten verifizieren und wissen daraus, dass 1 Attosekunde=10-18 Sekunden beträgt. Darüber hinaus ist die Frage interessanter als die Frage, warum wir eine so kleine Zeitskala wollen, als über die Länge einer Attosekunde nachzudenken.
F: Warum brauchen wir also Pulse mit einer Länge von Attosekunden?
L＇Huillier: Weil bestimmte Prozesse in der Natur so schnell sind, dass wir sie nur mit Hilfe von Attosekunden-Lichtimpulsen messen können, wobei der wichtigste davon die Bewegung von Elektronen ist. Je schneller der Blitz, also je kürzer der Lichtpuls, desto genauer können wir den Vorgang beobachten. Heutzutage konzentriert sich meine Forschungsgruppe immer noch darauf, einfache Prozesse in und um Atome zu fotografieren, weil dies einfacher zu erreichen ist. Wenn wir auf diesem Gebiet jedoch weitere Fortschritte erzielen, können wir die Bewegung von Elektronen in komplexeren Systemen, beispielsweise in Molekülen, beobachten. Die Bewegung von Elektronen löst chemische Reaktionen aus. Eines Tages werden wir in der Lage sein, diese ersten Bewegungen zu messen.
F: Und was dann?
L＇Huillier: Messung ist der erste Schritt zur Kontrolle. Langfristig besteht unser größtes Ziel also darin, chemische Reaktionen auf Elektronenebene steuern zu können.
F: Kontrollieren und wofür nutzen?
L'Huillier: Es ist für mich schwer vorherzusagen, wo es eingesetzt wird oder was es in Zukunft verändern wird, aber das ist Grundlagenforschung.
Das Forschungsteam von Prof. Anne L'Huillier im schwedischen Lund nutzt Femtosekundenlaser, um hochharmonische Lichtimpulse zu erzeugen. Aus diesen Pulsen werden dann Attosekunden-Laserpulse erzeugt, um atomare Prozesse sichtbar zu machen
F: Sie haben 1987 in einem Experiment die hohen Harmonischen entdeckt, die eine Voraussetzung für die Erzeugung von Attosekundenpulsen sind.
L＇Huillier: Ja, das war ein erfreulicher Zufall. Das Schönste ist, wenn man etwas entdeckt, das einen überrascht! Es bedeutet, dass etwas darauf wartet, dass Sie es reparieren. Eigentlich wollten wir damals Edelgase mit einem starken Laser beschießen und den Fluoreszenzeffekt untersuchen. Es stellte sich heraus, dass das stärkste dabei beobachtete Licht keine Fluoreszenz, sondern eine hohe Harmonische der Laserfrequenz war, eine Entdeckung, die meine wissenschaftliche Karriere veränderte. Durch die Erzeugung hoher Harmonischer war es möglich, Attosekundenimpulse zu erzeugen. Das ist es, was ich jetzt noch mache.
F: Ist es möglich, sich zumindest ein mentales Bild von der Erzeugung hoher Harmonischer zu machen?
L＇Huillier: Ja! Ich habe einen besseren Vergleich als die Attosekunde und das Alter des Universums. Wenn man einen Bogen durch die Saiten einer Geige führt, erhält man nicht nur reine Töne (reine Tonfrequenzen), sondern auch andere Frequenzen. In der Musik werden diese Frequenzen Obertöne genannt und sie geben die Klangfarbe; Obertöne werden auch Harmonische genannt. Ähnliches passiert, wenn man unter bestimmten Bedingungen ein Gas einem Femtosekunden-Laserpuls aussetzt, wodurch neue Laserfrequenzen mit kürzeren Wellenlängen entstehen. Man könnte sagen, dass die höheren Harmonischen die Obertöne der Laserphysik sind.
F: Was kann ein hochharmonischer Lichtimpuls bewirken?
L＇Huillier: Man kann damit Attosekundenpulse erzeugen, aber sie sind auch für sich genommen nützlich. Wir arbeiten derzeit mit einem Hersteller von Lithographie- und Messgeräten für die Halbleiterindustrie zusammen, um hohe Harmonische zur Inspektion von Halbleiter-Mikrostrukturen zu nutzen. Für jemanden wie mich, der Grundlagenforschung betreibt, ist das ein sehr konkretes Projekt. Ich bin überrascht und erfreut, dass unsere Arbeit für die Gesellschaft von Nutzen ist.
Prof. Anne L＇Huillier half bei der Etablierung der Physik von Attosekundenlasern. Diese Arbeit könnte bald die Welt der Elektronik erhellen.
F: Hat Ihre Forschung auch zur Entwicklung der Lasertechnologie beigetragen?
L＇Huillier: Sicherlich hat unsere Arbeit in der Attosekundenphysik in den letzten Jahrzehnten immer wieder Laserhersteller dazu inspiriert, neue und bessere Ultrakurzpulslaser zu entwickeln. Natürlich profitieren auch wir von besseren Strahlquellen. Je besser die anfängliche Laserquelle ist, desto besser können die höheren Harmonischen Attosekundenpulse erzeugen. Für uns führt dies zu weiteren technologischen Fortschritten, wie beispielsweise neuen Diagnose- und Messmethoden im Bereich der UKP-Lasertechnik – wir inspirieren uns also immer wieder gegenseitig. Aber über diese angenehmen Nebenwirkungen hinaus gibt es noch etwas anderes an meiner Arbeit, das mir sehr wichtig ist.
F: Was ist Ihnen sonst noch sehr wichtig?
L＇Huillier: Ich bin Forscher, aber auch Lehrer. Das bedeutet, dass ich eine Menge kluger junger Menschen unterrichten und zusehen kann, wie sie wachsen und ihre Erfahrungen bereichern, was meiner Meinung nach mein größter Beitrag ist.
Anne L'Huilliers Profil
Anne L'Huillier, geboren 1958 in Paris, ist eine französische Physikerin und derzeit Professorin für Atomphysik an der Universität Lund. Sie war eine der Schlüsselfiguren beim Aufbau des Forschungsgebiets der Attosekundenphysik und erhielt zahlreiche Auszeichnungen. Anfang des Jahres erhielt sie für ihre Forschungsleistungen den Berthold-Leibinger-Zukunftspreis und nur wenige Tage später wurde ihr zusammen mit Pierre Agostini und Ferenc Krausz der Nobelpreis für Physik 2023 verliehen.