Ludwig-Maximilians-Universität München
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Erfolgreiche Exzellenzprojekte

Am Puls des Lichts

München, 12.07.2013

Reise in das Innere der Zeit: Am Munich-Centre for Advanced Photonics beobachten Forscher mit ultrakurzen Laserblitzen die Bewegung atomarer Bausteine – und entwickeln praxisrelevante Anwendungen dieser Attosekundenphysik.

Foto: Jan Greune / LMU
„Fotoapparat“ für Elektronen: Ferenc Krausz an einer Attosekunden-Experimentierkammer. (Foto: Jan Greune)

Wenn Ferenc Krausz das Licht anmacht, ist es auch schon wieder aus: Nur wenige Milliardstel einer Milliardstelsekunde dauern die Lichtblitze, die der Physiker und seine Mitarbeiter in ihren Laboren auf dem Forschungscampus Garching erzeugen. Die Blitze gehören damit zu den kürzesten der Welt, sogar das Guinness-Buch der Rekorde hat das bestätigt. Die Urkunde hängt, ungerahmt und unscheinbar, an einer Magnettafel in Krausz‘ Büro.

Aber an Rekorden ist Ferenc Krausz, Lehrstuhlinhaber für Experimentalphysik an der LMU und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching, ohnehin nicht interessiert. „Unsere ultrakurzen Lichtpulse sind nicht das Ziel, sondern ein Mittel zum Zweck“, sagt der gebürtige Ungar. „Und sie gewinnen immer mehr Bedeutung für wirklich praxisrelevante Anwendungen.“

Extrem kurze Blitze

Was sich mit den extrem kurzen, extrem energiereichen Blitzen im Detail anstellen lässt, wollen die LMU-Forscher nun im Rahmen des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) untersuchen, dessen Sprecher Ferenc Krausz ist. Gemeinsam mit Wissenschaftlern des MPQ, der Technischen Universität München und weiteren Kooperationspartnern soll ergründet werden, wie sich mit den kurzen Pulsen – ähnlich wie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera – die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern aufzeichnen lässt.

Die Forscher wollen die Blitz-Technik jedoch auch dazu nutzen, um neuartige Strahlungsquellen für die medizinische Diagnostik sowie Teilchenstrahlen für die lokale Krebstherapie zu entwickeln. „Gerade im biomedizinischen Bereich gibt es großes Potenzial für diese neuen lasergenerierten Strahlen“, sagt Franz Pfeiffer, Lehrstuhlinhaber für Biomedizinische Physik an der TU München.

Nicht aus dem Büroladen um die Ecke

Im Mittelpunkt steht dabei stets der Laser – allerdings kein Gerät, das im Büroladen um die Ecke zu haben ist: Während herkömmliche Laserpointer darauf ausgelegt sind, eine perfekte Welle über einen langen Zeitraum zu erzeugen, schlagen die Garchinger Physiker genau die andere Richtung ein. Ihr Laser soll möglichst viel Energie in einen möglichst kurzen Puls packen.

Sogenannte Femtosekundenlaser, deren Pulse einige Millionstel einer Milliardstelsekunde dauern, machen das seit mehreren Jahrzehnten vor. Sie sind inzwischen sogar kommerziell erhältlich, einer von ihnen steht bei Krausz im Labor und ist Basis für die ultrakurzen Experimente. Sein rotes Licht besteht dabei aus elektromagnetischen Wellen, deren Auf und Ab gut zwei Femtosekunden dauert. Gebündelt werden diese Wellen zu Pulsen mit einer Länge von etwa 20 bis 30 Femtosekunden. „Für unsere Anforderungen ist das allerdings viel zu viel“, sagt Krausz.

Die Summe der Wellenkämme

Die Physiker erzeugen mit diesem äußerst reinen Laserlicht daher zunächst viele neue Farben – vom leichten Infrarot bis hin zum Ultravioletten. Anschließend separieren und addieren die Forscher die verschiedenen Wellenlängen wieder, wobei sie darauf achten, dass die Wellenberge aller Farben zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zusammenfallen. An dieser Stelle summieren sich sämtliche Wellenkämme. Kurz davor und danach geraten die unterschiedlichen Wellenlängen dagegen aus dem Takt: Berge treffen auf Täler und heben sich gegenseitig auf. Übrig bleibt ein intensiver Puls, der kaum länger ist als die grundlegende Schwingungsperiode des roten Lichts – also gut zwei Femtosekunden.

„Mit solchen Lichtblitzen kann man fast alle Vorgänge in der mikroskopischen Welt fotografieren“, sagt Krausz. Mit einer wichtigen Ausnahme: Die Bewegung von Elektronen ist noch einmal hundert bis tausendmal schneller. Ein Schnappschuss mit einem Femtosekundenpuls würde daher nur ein verschwommenes Bild ergeben – als versuchte man, einen vorbeifliegenden Kampfjet mit einer Belichtungszeit von mehreren Sekunden im Bild festzuhalten. Krausz und sein Team greifen daher zu einem Trick. (Alexander Stirn)

 

Hier lesen Sie den vollständigen Text zum Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics aus dem LMU-Forschungsmagazin Einsichten. Er ist ein Auszug aus dem Sonderheft zur Exzellenzinitiative.

 

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