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Highlights und Aktuelles
frühere Highlights im Archiv
8. September 2017: Erstmals freie Nanoteilchen mit hochintensiver Laserquelle im Laborexperiment abgebildet
In einem gemeinsamen Forschungsprojekt des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI), der Technischen Universität (TU) Berlin und der Universität Rostock ist es erstmals gelungen, freie Nanoteilchen mit einer hochintensiven Laserquelle in einem Laborexperiment abzubilden. Die detailreiche Darstellung dieser extrem kleinen Strukturen mit Hilfe einzelner Beugungsbilder war bislang nur an Großforschungseinrichtungen, an sogenannten Freie-Elektronen-Lasern, möglich. Die wegweisenden Ergebnisse ermöglichen die hocheffiziente Charakterisierung der chemischen, optischen und strukturellen Eigenschaften von einzelnen Nanopartikeln und sind jetzt in "Nature Communications" erschienen. Erstautorin der Publikation ist die Nachwuchswissenschaftlerin Dr. Daniela Rupp, die das Projekt an der TU Berlin durchführte und jetzt am MBI eine Nachwuchsforschungsgruppe aufbaut  ... weiterlesen.
 
1. September 2017: Neue physikalische Einsichten durch Aspirintabletten
Aspirin in Form kleiner Kristalle liefert neue Einsichten in gekoppelte Bewegungen von Elektronen und Atomkernen. Wenn starke ultrakurze Impulse im fernen Infrarot (Terahertzbereich) Molekülschwingungen anregen, oszillieren die Atomkerne viel schneller als nach einer schwachen Anregung. Zusammen mit dem Zerfall der elektronischen Polarisation kehren die Molekülbewegungen allmählich zu ihrer ursprünglichen Schwingungsfrequenz zurück. Eine tiefgreifende theoretische Analyse der von den bewegten Ladungen abgestrahlten Terahertzwellen zeigt eine extrem starke Kopplung zwischen den Bewegungen der Elektronen und der Atomkerne, die für eine große Klasse von Molekülkristallen charakteristisch ist.  ... weiterlesen.
 
13. Juli 2017: Wasser lässt das Proton zittern - ultraschnelle Bewegungen und kurzlebige Strukturen hydratisierter Protonen
Protonen in wässriger Umgebung spielen eine Schlüsselrolle in vielen chemischen und biologischen Prozessen. In Science berichten Dahms et al. über die direkte Aufzeichnung ultraschneller Protonbewegungen mittels Schwingungsspektroskopie. Sie zeigen, dass Protonen in Wasser vorwiegend zwischen zwei Wassermolekülen gebunden sind und dort fluktuierende Bewegungen im Femtosekundenbereich ausführen. Diese Dynamik ist 10 bis 50 Mal schneller als das Hüpfen des Protons in eine neue Umgebung, der elementare Schritt der Protonenwanderung in der Chemie.  ... weiterlesen.
 
22. Juni 2017: Ein leistungsfähiges Lasersystem für anspruchsvolle Experimente in der Attosekunden-Forschung
Die Attosekunden-Forschung hat unseren Blick auf zeitabhängige Prozesse in der mikroskopischen Welt, die von den Regeln der Quantenmechanik beherrscht wird, revolutioniert. Der technische Durchbruch, der diese Entwicklung ermöglicht hat, basiert auf der Erzeugung von sehr kurzen Laserpulsen, die nur wenige Schwingungen des elektrischen Felds lang sind. Derartig kurze Laserpulse haben, wenn sie fokussiert werden, elektrische Feldstärken, die mit denen vergleichbar sind, die Elektronen in Atomen und Molekülen spüren. Gleichzeitig lässt sich der zeitliche Verlauf der Feldstärke sehr genau kontrollieren. Obwohl ultrakurze Laserpulse schon seit längerem in einigen Laboren weltweit zur Erforschung Licht induzierten dynamischen Prozessen eingesetzt werden, bleiben viele Fragen aufgrund der niedrigen Datenrate und des damit einhergehenden niedrigen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses gängiger Lasersysteme unbeantwortet. Am Max-Born-Institut ist kürzlich ein leistungsstarkes Lasersystem aufgebaut worden, das mit 100 kHz eine mehr als 10fach höhere Wiederholrate hat und gleichzeitig Laserimpulse erzeugt, die typischerweise in Attosekunden-Experimenten eingesetzt werden. Dieses neue Lasersystem wird sowohl eine neue Klasse von Experimenten an einfachen atomaren und kleinen molekularen Systemen wie auch hoch genauen Untersuchungen an komplexeren Molekülen ermöglichen  ... weiterlesen.
 
16. Juni 2017: Ein perfektes Attosekunden-Experiment
Die Attosekundentechnologie revolutioniert gerade die ultraschnelle laserphysikalische Forschung und ermöglicht Experimente, die einen beispiellosen Einblick in die Struktur und zeitabhängige Dynamik von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern liefern. In einem neuen Experiment haben Physiker von der Waseda Universität (Japan), dem National Research Council (Kanada) und dem Max-Born-Institut (Berlin) Attosekundentechnologie dazu benutzt, die quantenmechanische Wellenfunktion eines Elektrons, das durch Photoionisation erzeugt wurde, vollständig zu charakterisieren. Diese in Science erschienene Arbeit ist das erste Beispiel für ein "perfektes" Experiment, das sich auf Attosekundentechnologie stützt.  ... weiterlesen.
 
22. Mai 2017: Tumult im trägen Elektronen-Dasein
Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.
Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds. Es herrscht also relative Ruhe im dielektrischen Kristallgitter. Dieses Idyll haben nun Physiker vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in einer Teamarbeit mit Wissenschaftlern vom Institut für Photonik und Nanotechnologien (IFN-CNR) in Mailand, dem Institut für Physik der Universität Rostock, dem Max-Born-Institut (MBI), sowie dem Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) und der Universität Hamburg erheblich durcheinander gewirbelt. Zum ersten Mal haben es die Forscher damit geschafft, die Interaktion zwischen Licht und Elektronen in einem Dielektrikum, also einem nichtleitenden Material auf Zeitskalen von Attosekunden (Milliardstel von milliardstel Sekunden) zu verfolgen  ... weiterlesen.
 
12. April 2017: Das MBI begrüßt Heisenberg-Stipendiat Thomas Fennel
Prof. Thomas Fennel, Gruppenleiter am Institut für Physik der Universität Rostock, erhält das begehrte Heisenberg-Stipendium, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) vergeben wird. Ziel des Programms ist die Förderung von Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftlern, die sich durch herausragende wissenschaftliche Leistungen auszeichnen und auf Professuren berufbar sind. Im Rahmen des bewilligten Stipendiums, für das offiziell bereits am 1. Januar 2017 der Startschuss fiel, unterstützt die DFG ein Forschungsprojekt zur theoretischen und experimentellen Untersuchung neuer Wege zur Analyse und Kontrolle ultraschneller elektronischer Vorgänge in Nanostrukturen.  ... weiterlesen.
 
14. Mńrz 2017: Nanostrukturen als Wegweiser für effiziente Laser-Protonen-Beschleuniger
Nanostrukturierte Oberflächen haben vielfältige Anwendungen. Unter anderem werden sie eingesetzt, um gezielt die Absorption von Licht zu erhöhen. Man findet sie überall dort, wo es darum geht, möglichst viel Energie aus Licht zu gewinnen, z. B. in der Photovoltaik. Aber auch in der Laserbeschleunigung von Protonen wird dieser Ansatz interessiert verfolgt, verspricht der Einsatz von nanostrukturierten Targets bei gleicher Laserenergie doch deutlich höhere Protonenenergien und -zahlen. Wie bei jeder anderen neuen Technologie ist auch hier ein hoher Wirkungsgrad entscheidend für einen möglichen zukünftigen Einsatz. Forscher am Max-Born-Institut (MBI) in Berlin haben jetzt untersucht, unter welchen Bedingungen der Einsatz von Nanostrukturen in der Laser-Ionen-Beschleunigung lohnt.  ... weiterlesen.
 
8. Februar 2017: Gitter aus Nanofallen und Verringerung der Linienbreite in einem Raman-aktiven Gas
Die Verringerung der Emissionslinienbreite eines Moleküls ist eines der Hauptziele der Präzisionsspektroskopie. Ein Ansatz dafür basiert auf der Kühlung von Molekülen bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts. Eine alternative Möglichkeit ist die Lokalisierung der Moleküle auf der Subwellenlängenskala. Ein neuartiger Ansatz in dieser Richtung wurde kürzlich von einem gemeinsamen Team des Max-Born-Instituts (A. Husakou) und des Xlim Instituts in Limoges vorgeschlagen. Dieser Ansatz verwendet zur Lokalisierung eine stehende Welle in einer gasgefüllten Hohlfaser. Sie erzeugt für Raman-aktive Moleküle ein Gitter aus tiefen Fallen auf Nanometer-Skala, was zu einer Verringerung der Linienbreite um den Faktor 10 000 führt. ... weiterlesen.
 
1. Februar 2017: Extrem kleine Atombewegungen werden mittels ultrakurzer Röntgenblitze aufgezeichnet
Periodische Atombewegungen auf einer Längenskala von einem Milliardstel eines Millionstels eines Meters (10-15 m) werden mittels ultrakurzer Röntgenimpulse abgebildet. Bei dieser neuen experimentellen Technik werden regelmäßig angeordnete Atome in einem Kristall durch einen Laserimpuls in Schwingungen versetzt, die mit Hilfe einer Reihe von Schnappschüssen über die geänderte Röntgenabsorption beobachtet werden. ... weiterlesen.
 
5. Januar 2017: Ein vereinheitlichtes Zeit- und Frequenzbild zur Erklärung ultraschneller atomarer Anregung in starken Laserfeldern
Dass Licht entweder als elektromagnetische Welle oder als ein Strom von "Energiequanten" (Photonen) aufgefasst werden muss, durchzieht die Geschichte der Quantenphysik wie ein roter Faden. Im Falle der Wechselwirkung von intensiver kurzpulsiger Laserstrahlung findet dieser Dualismus seine Entsprechung in den anschaulichen Bildern, die zur Beschreibung von Ionisation und Anregung von Atomen herangezogen werden: das Multiphotonenbild und das Tunnelbild. In einer kombinierten theoretischen und experimentellen Studie zur ultraschnellen Anregung von Atomen in intensiven Laserfeldern gelang es Forschern des Max-Born-Institutes, die beiden vorherrschenden und scheinbar entgegengesetzten Erklärungsbilder für die Wechselwirkung von Materie mit intensiver Laserstrahlung auf einen zugrunde liegenden nichtlinearen Prozess zurückzuführen und aufzuzeigen, wie beide Bilder ineinander überführt werden können. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen und von den Editoren für ihre Bedeutung, Innovation und Breitenwirkung als Editors' Suggestion ausgezeichnet worden. Neben ihrer grundlegenden Aussage und Bedeutung zeigt die Arbeit verbesserte und neue Wege zur genauen Bestimmung der Laserintensität und zur laserintensitätsabhängigen Steuerung der kohärenten Zustandsbesetzung atomarer Niveaus auf. ... weiterlesen.
 
5. Januar 2017: Verstärkung relativistischer Elektronenpulse durch direkte Beschleunigung im Laserfeld
Eine gezielte und direkte Beschleunigung von Elektronen in extrem starken Laserfeldern würde es ermöglichen, neuartige, ultra-kompakte Beschleuniger zu realisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, muss jedoch die intrinsische Bewegung von Elektronen im elektromagnetischen Wechselfeld eines Laserpulses gleichgerichtet und vom Feld entkoppelt werden. Diese grundlegende Herausforderung wird weltweit intensiv erforscht. In Experimenten am Max-Born-Institut ist es nun Forschern gelungen, ein Konzept der direkten Laserbeschleunigung zu realisieren und theoretisch im Detail nachzuvollziehen. Dieses Konzept eröffnet die Möglichkeit, relativistische und ultra-kurze Elektronenpulse auf extrem kleinen Beschleunigungsdistanzen unterhalb eines Millimeters zu erzeugen. Solche Elektronen und darauf basierende Röntgenquellen haben vielfältige Anwendungsgebiete in der Spektroskopie und Strukturanalyse, in medizinisch-biologischer Forschung und für die Nanotechnologie. ... weiterlesen.
 

 
Weitere Einzelheiten:

 


Erstmals freie Nanoteilchen mit hochintensiver Laserquelle im Laborexperiment abgebildet

8. September 2017

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI), der Technischen Universität (TU) Berlin und der Universität Rostock ist es erstmals gelungen, freie Nanoteilchen mit einer hochintensiven Laserquelle in einem Laborexperiment abzubilden. Die detailreiche Darstellung dieser extrem kleinen Strukturen mit Hilfe einzelner Beugungsbilder war bislang nur an Großforschungseinrichtungen, an sogenannten Freie-Elektronen-Lasern, möglich. Die wegweisenden Ergebnisse ermöglichen die hocheffiziente Charakterisierung der chemischen, optischen und strukturellen Eigenschaften von einzelnen Nanopartikeln und sind jetzt in "Nature Communications" erschienen. Erstautorin der Publikation ist die Nachwuchswissenschaftlerin Dr. Daniela Rupp, die das Projekt an der TU Berlin durchführte und jetzt am MBI eine Nachwuchsforschungsgruppe aufbaut.

In ihrem Laborexperiment hat das Forscherteam Heliumgas eingesetzt, das - auf niedrigste Temperaturen heruntergekühlt - in einen supraflüssigen Zustand übergeht und beim Zerstäuben klitzekleine Nanotröpfchen bildet. "Diese winzigen Tröpfchen haben wir mit ultrakurzen Röntgenblitzen durchleuchtet und das gestreute Laserlicht als Schnappschuss auf einem Flächendetektor aufgezeichnet", erklärt Dr. Daniela Rupp.

"Zum Erfolg der Experimente haben die hochintensiven Röntgenblitze aus der Labor-Laserquelle am MBI beigetragen, die mit einer einzigen Aufnahme bereits detailreiche Streumuster liefern", erläutert Dr. Arnaud Rouzée vom MBI. "Durch die Aufnahme im sogenannten Weitwinkel-Modus haben wir bislang unbekannte Formen der supraflüssigen Tröpfchen identifiziert", ergänzt Prof. Thomas Fennel vom MBI und der Universität Rostock. Die Ergebnisse des Forscherteams eröffnen völlig neue Möglichkeiten für die Analyse der Struktur und optischen Eigenschaften kleiner Teilchen. Sie zeigen, dass dank modernster Laserlichtquellen nicht mehr nur ausschließlich an Großforschungseinrichtungen beeindruckende Abbildungen von kleinster Materie möglich sind.

Die Physikerin Dr. Daniela Rupp war bis Sommer 2017 als Wissenschaftlerin am Institut für Optik und Atomare Physik der Technischen Universität Berlin tätig. Jetzt baut sie am MBI eine Nachwuchsgruppe auf (Leibniz-Junior Research Group), in der sie ihre Forschung zu Einzelpartikel-Abbildung mit kurzen und intensiven extrem-ultravioletten Lichtpulsen fortsetzt. Sie wurde bereits mehrfach ausgezeichnet - mit dem Dissertationspreis der Sektion AMOP der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, dem Carl-Ramsauer-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin sowie dem Physik-Studienpreis der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung.

Streubild Heliumnanotroepfchen

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Pillenförmige Heliumnanotröpfchen können durch gebogene Strukturen im Streubild nachgewiesen werden. Quelle: MBI

Originalpublikation: Nature Communication 8, 493 (2017) doi:10.1038/s41467-017-00287-z
Coherent diffractive imaging of single helium nanodroplets with a high harmonic generation source
Daniela Rupp, Nils Monserud, Bruno Langbehn, Mario Sauppe, Julian Zimmermann, Yevheniy Ovcharenko, Thomas Möller, Fabio Frassetto, Luca Poletto, Andrea Trabattoni, Francesca Calegari, Mauro Nisoli, Katharina Sander, Christian Peltz, Marc J. J. Vrakking, Thomas Fennel, Arnaud Rouzée

Kontakt

Dr. Daniela Rupp Tel. 030 6392 1280
Dr. Arnaud Rouzée Tel. 030 6392 1440
Prof. Dr. Thomas Fennel Tel. 030 6392 1245
Prof. Dr. Marc J. Vrakking Tel. 030 6392 1200

 
     
 


Neue physikalische Einsichten durch Aspirintabletten

1. September 2017

Aspirin in Form kleiner Kristalle liefert neue Einsichten in gekoppelte Bewegungen von Elektronen und Atomkernen. Wenn starke ultrakurze Impulse im fernen Infrarot (Terahertzbereich) Molekülschwingungen anregen, oszillieren die Atomkerne viel schneller als nach einer schwachen Anregung. Zusammen mit dem Zerfall der elektronischen Polarisation kehren die Molekülbewegungen allmählich zu ihrer ursprünglichen Schwingungsfrequenz zurück. Eine tiefgreifende theoretische Analyse der von den bewegten Ladungen abgestrahlten Terahertzwellen zeigt eine extrem starke Kopplung zwischen den Bewegungen der Elektronen und der Atomkerne, die für eine große Klasse von Molekülkristallen charakteristisch ist.

Aufgrund seiner physiologischen Wirkung hat Aspirin eine weite Anwendungspalette in verschiedenen Bereichen der Medizin gefunden. Wenn man sich aus physikalischer Sicht ein einzelnes Aspirinmolekül anschaut, kann man zwei unterschiedliche Bewegungstypen unterscheiden: (i) Molekülschwingungen sind oszillierende Bewegungen der Atomkerne in einem weiten Frequenzbereich, z.B. die behinderte Drehung der Methylgruppe (Film 1) mit einer Frequenz von 6 Terahertz (THz) (1 THz = 1.000.000.000.000 Oszillationsperioden pro Sekunde) und (ii) oszillierende Bewegungen der Elektronen innerhalb des Moleküls mit etwa 1000 THz (Film 2), die man etwa mit ultraviolettem Licht anregen kann. Während die beiden unterschiedlichen Bewegungen in einem isolierten Aspirinmolekül nur schwach miteinander koppeln, entwickelt sich eine sehr starke gegenseitige elektrische Wechselwirkung in der dichten Packung von Molekülen in Kristalliten, aus denen die Aspirintabletten aus der Apotheke bestehen. Als Ergebnis dieser starken Kopplung wird die Schwingungsfrequenz sogenannter Weicher Moden (engl. soft mode) drastisch reduziert (Film 3). Das komplizierte Kopplungsschema und die daraus resultierende Moleküldynamik sind wichtig um zu verstehen, wie Aspirin auf externe Stimuli antwortet. Bislang weiß man darüber fast nichts.

In der neuesten Ausgabe der amerikanischen Fachzeitschrift Physical Review Letters kombinierten Forscher aus dem Max-Born-Institut in Berlin und der Universität Luxemburg modernste Methoden der experimentellen und theoretischen Physik um grundlegende Eigenschaften solcher soft modes aufzuklären. In den Experimenten schickten die Wissenschaftler zwei phasengekoppelte Terahertzimpulse auf eine 700-μm dicke Tablette aus polykristallinem Aspirin. Das von den sich bewegenden Atomen abgestrahlte elektrische Feld erlaubt es, die soft mode-Schwingungen direkt in Echtzeit zu beobachten. Die sogenannte zweidimensionale Terahertzspektroskopie zeigte eine überraschend starke nichtlineare Antwort der soft mode in Aspirinkristallen. Dabei beobachtet man eine drastische Verschiebung der soft mode zu höheren Frequenzen (Fig. 1). Die experimentell beobachtete Antwort zeigte einen nicht-instantanen Charakter auf der Pikosekunden-Zeitskala aufgrund der erzeugten elektrischen Polarisation der Aspirinkristalle. Während des Zerfalls dieser Polarisation kehrt die Frequenz der soft mode allmählich wieder zu ihrem Wert vor der Anregung zurück.

Die theoretische Analyse der Forscher zeigt, dass die großen elektrischen Polarisationen im Ensemble der Aspirinmoleküle der soft mode einen Hybrid-Charakter verleihen. Durch elektrische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen werden Elektron- und Atomkern-Bewegungen stark korreliert. Vor der Anregung bestimmt diese Korrelation die Frequenz der soft mode in einem Aspirinkristall. Eine intensive THz-Anregung bricht diese Korrelationen auf, was zu einer Blauverschiebung der Schwingungsfrequenz führt. Der vergleichsweise langsame Zerfall (Dekohärenz) der Polarisation ruft eine nicht-instantane Antwort der Aspirinkristalle hervor. Das hier beobachtete Szenario ist für eine große Klasse von molekularen Materialien wichtig, insbesondere für solche in Anwendungen in der Ferroelektrizität.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Blauverschiebung der soft mode hervorgerufen durch das elektrische Feld des THz-Impulses in einem Aspirinkristall. Abhängig von der elektrischen Feldstärke wird die soft mode von ihrer ursprünglichen Frequenzposition (rote Gauß-Kurve, Transmissionserhöhung) instantan zu einer blauverschobenen Position (Ensemble von orangen Gauß-Kurven, Transmissionsverringerung) verschoben.
Film 1 Film 1: Ein einzelnes Aspirinmolekül im Vakuum, in dem eine behinderte Rotation der Methylgruppe angeregt ist. Graue Kugeln: Kohlenstoffatome, rote Kugeln: Sauerstoffatome und weiße Kugeln: Wasserstoffatome. Die schwingende Methylgruppe besteht aus einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoffatomen.
Film 2 Film 2: Ein einzelnes Aspirinmolekül im Vakuum, in dem eine kollektive Schwingung der π-Elektronen in dem Benzolring angeregt ist (im Sechseck angeordnete Kohlenstoffatome). Die oszillierende gelbe Wolke stellt die π-Elektronen im Benzolring dar.
Film 3 Film 3: Atombewegungen der Weichen Mode in einem Aspirinkristall. Im Gegensatz zu einem isolierten Aspirinmolekül im Vakuum (siehe Filme 1 und 2) ist die behinderte Rotation der Methylgruppe stark an die kollektiven Schwingungen der π-Elektronen in dem Benzolring gekoppelt.

Originalpublikation: Physical Review Letters 119, 097404 (2017)
Strong Local-Field Enhancement of the Nonlinear Soft-Mode Response in a Molecular Crystal
Giulia Folpini, Klaus Reimann, Michael Woerner, Thomas Elsaesser, Johannes Hoja, and Alexandre Tkatchenko

Kontakt

Dr. Michael Wörner Tel. 030 6392 1470
Giulia Folpini Tel. 030 6392 1474
Prof. Dr. Klaus Reimann Tel. 030 6392 1476
Prof. Dr. Thomas Elsässer Tel. 030 6392 1400

 
     
 


Wasser lässt das Proton zittern - ultraschnelle Bewegungen und kurzlebige Strukturen hydratisierter Protonen

13. Juli 2017

Protonen in wässriger Umgebung spielen eine Schlüsselrolle in vielen chemischen und biologischen Prozessen. In Science berichten Dahms et al. über die direkte Aufzeichnung ultraschneller Protonbewegungen mittels Schwingungsspektroskopie. Sie zeigen, dass Protonen in Wasser vorwiegend zwischen zwei Wassermolekülen gebunden sind und dort fluktuierende Bewegungen im Femtosekundenbereich ausführen. Diese Dynamik ist 10 bis 50 Mal schneller als das Hüpfen des Protons in eine neue Umgebung, der elementare Schritt der Protonenwanderung in der Chemie.

Das Proton, der positiv geladene Kern H+ des Wasserstoffatoms und kleinste chemische Einheit, spielt eine Schlüsselrolle in der Chemie und der Biologie. Säuren entlassen Protonen in eine wässrige Umgebung, in der sie hochbeweglich sind und den Transport elektrischer Ladung dominieren. In biologischen Systemen ist der Konzentrationsgradient von Protonen über Zellmembranen die treibende Kraft der Zellatmung und Energiespeicherung. Selbst nach Jahrzehnten intensiver Forschung sind jedoch die molekularen Geometrien des Protons in Wasser und die Elementarprozesse der Protonendynamik hoch kontrovers geblieben.

Protonen in Wasser werden üblicherweise durch die beiden in Abb. 1A gezeigten Grenzstrukturen beschrieben. Im sogenannten Eigen-Komplex (H9O4+) (links) ist das Proton Teil des zentralen H3O+-Moleküls, das von drei Wassermolekülen umgeben ist. Im Zundel-Kation (H5O2+) (rechts) bildet das Proton zwei starke Wasserstoffbrücken mit zwei benachbarten Wassermolekülen. Zur Beschreibung dieser Systeme auf molekularem Niveau wird die Energiepotentialfläche des Protons verwendet (Abb. 1B), die sich für die beiden Geometrien deutlich unterscheidet. Für den Eigenkomplex erwartet man ein anharmonisches Potential mit einem Minimum während die Zundelgeometrie ein Doppelminimum-Potential aufweisen sollte. In Wasser sind solche Potentiale hochdynamisch und fluktuieren auf schnellen Zeitskalen, ein Verhalten, das durch thermische Bewegungen der umgebenden Wassermoleküle und des Protons verursacht wird.

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts in Berlin und der Ben Gurion University of the Negev in Beer-Sheva, Israel, haben jetzt die ultraschnellen Bewegungen und transienten Strukturen von Protonen in Wasser unter Umgebungsbedingungen sichtbar gemacht. Sie berichten experimentelle und theoretische Ergebnisse in der Zeitschrift Science (doi:10.1126//science.aan5144), welche das Zundel-Kation als die in Wasser vorherrschende Spezies identifizieren. Die Femtosekundendynamik der Protonbewegungen (1 fs = 10-15 s) wurde mit Hilfe der Schwingungsübergänge zwischen den Quantenzuständen des Protons in Echtzeit aufgezeichnet (rote und blaue Pfeile in Abb. 1B). Die besonders aussagekräftige Methode der zweidimensionalen Schwingungsspektroskopie liefert die gelb-roten und blauen Konturen in Abb. 2A, die den Energiebereich der beiden Übergänge kennzeichnen. Die blaue Kontur befindet sich bei höheren Detektionsfrequenzen als die gelb-rote. Dieses Resultat stellt den ersten direkten Nachweis des Doppelminimum-Charakters des Protonpotentials (Abb. 1B rechts) in nativer wässriger Umgebung dar. Wäre das Proton in einem Potential mit einem Minimum gebunden (Abb. 1B links), würde die blaue Kontur bei kleineren Detektionsfrequenzen auftreten als die gelb-rote.

Die Ausrichtung beider Konturen entlang der vertikalen Frequenzachse zeigt, dass beide Schwingungsübergänge einen riesigen Frequenzbereich innerhalb von weniger als 100 fs durchlaufen. Dies ist eine direkte Folge der ultraschnellen Modulation der Potentialfläche durch die Umgebung. Mit anderen Worten: das Proton nimmt innerhalb von weniger als 100 fs vorübergehend alle Positionen zwischen den beiden Wassermolekülen ein und verliert extrem schnell die Erinnerung daran wo es kurz vorher war. Die Modulation des Protonpotentials wird durch starke elektrische Felder verursacht, welche die Wassermoleküle der Umgebung auf das Zundel-Kation ausüben. Ihre schnelle thermische Bewegung führt zu starken Feldfluktuationen und Modulationen der Potentialfläche im Zeitbereich unter 100 fs. Dieses Bild wird unterstützt durch Referenzexperimente mit selektiv präparierten Zundel Kationen in anderen Lösungsmitteln und durch detaillierte theoretische Simulationen der Protondynamik (Abb. 2B).

Ein Proton in einem einzelnen Zundel-Kation in Wasser wechselt in eine neue lokale Umgebung durch das Brechen und die Rekonstruktion von Wasserstoffbrücken. Diese Prozesse sind sehr viel langsamer als die Zitterbewegung des Protons und laufen im Zeitbereich einiger Pikosekunden ab (1 ps = 1000 fs = 10-12 s). Das hier vorgestellte neue Bild der Protondynamik ist von entscheidender Bedeutung für ein Verständnis des Protonentransports durch den berühmten von Grotthuss Mechanismus und für Protonverschiebungen in biologischen Systemen.

Dahms

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb.1. Chemische Struktur hydratisierter Protonen in Wasser. A Schematische Darstellung des Eigen-Kations H9O4+ (links) und des Zundel-Kations H5O2+ (rechts). Die Pfeile markieren die Koordinate r der O-H Bindung und die (O...H+...O) Protontransfer-Koordinate z. Im Eigen-Kation wird das Proton durch eine kovalente O-H Bindung lokalisiert während es im Zundel-Kation zwischen den beiden Wassermolekülen delokalisiert ist. B Anharmonisches Schwingungspotential (links) und Doppelminimumpotential des Zundel-Kations entlang der Koordinate z (rechts, rote Linie). Das Doppelminimumpotential wird durch die Einwirkung der Flüssigkeitsumgebung verzerrt (rechts, gepunktete Linie). Die roten und blauen Pfeile markieren Schwingungsübergänge zwischen den Quantenzuständen des Protons, rote Pfeile vom Grund- in den ersten angeregten Zustand und blaue Pfeile vom ersten in den zweiten angeregten Zustand. Eine Modulation der Potentialflächen verändert den Abstand der Quantenzustände und damit die Energie der Schwingungsübergänge was durch zweidimensionale Schwingungsspektroskopie nachgewiesen wird.
Dahms

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 2. Femtosekundendynamik der Protonbewegung (1 fs = 10-15 s). A Zweidimensionales Schwingungsspektrum mit dem Übergang vom Grund- in den ersten angeregten Zustand (gelb-rote Kontur) und vom ersten in den zweiten angeregten Zustand (blaue Kontur). Die Ausrichtung der beiden Konturen entlang der Achse der Anregungsfrequenz wird durch ultraschnelle Frequenzfluktuationen und den Gedächtnisverlust in der Protonposition verursacht. B Theoretisch berechnete Echtzeitdynamik des Protons im Zundel-Kation. Innerhalb von weniger als 100 fs erfährt das Proton große Auslenkungen entlang der z-Koordinate, die die beiden Wassermoleküle verbindet. Auf Grund der ultraschnellen Modulation des Potentials durch die umgebenden Wassermoleküle nimmt das Proton vorübergehend alle Positionen entlang z ein.

Dahms

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb 3. Veranschaulichung der Dynamik hydratisierter Protonen in einem Bild der klassischen Physik. Das Proton Smiley sitzt in der Mitte eines Sofas mit zwei Plätzen. Wenn das Sofa durch eine mechanische Kraft angehoben oder abgesenkt wird verändert sich die Form der Sitzfläche und das Proton bewegt sich auf dem Sofa hin und her. Diese Bewegungen treten im realen System auf einer Zeitskala unterhalb von 100 fs (10-13 s) auf. Nach einer Durchschnittszeit von ca. 1 ps = 1000 fs = 10-12 s zerbricht das Sofa und das Proton bewegt sich an einen neuen Platz. Das neue Sofa besteht aus einem Teil des alten (blau) und einem neuen Teil (rot).

Originalpublikation: Science, Vol. 357, Issue 6350, pp, 491-495 (2017) doi:10.1126//science.aan5144
Large-amplitude transfer motion of hydrated excess protons mapped by ultrafast 2D IR spectroscopy
Fabian Dahms, Benjamin P. Fingerhut, Erik T. J. Nibbering, Ehud Pines, Thomas Elsaesser

Kontakt

Prof. Dr. Thomas Elsässer Tel. 030 6392 1400
Dr. Benjamin Fingerhut Tel. 030 6392 1404
Dr. Erik T.J. Nibbering Tel. 030 6392 1477

 
     
 


Ein leistungsfähiges Lasersystem für anspruchsvolle Experimente in der Attosekunden-Forschung

22. Juni 2017

Die Attosekunden-Forschung hat unseren Blick auf zeitabhängige Prozesse in der mikroskopischen Welt, die von den Regeln der Quantenmechanik beherrscht wird, revolutioniert. Der technische Durchbruch, der diese Entwicklung ermöglicht hat, basiert auf der Erzeugung von sehr kurzen Laserpulsen, die nur wenige Schwingungen des elektrischen Felds lang sind. Derartig kurze Laserpulse haben, wenn sie fokussiert werden, elektrische Feldstärken, die mit denen vergleichbar sind, die Elektronen in Atomen und Molekülen spüren. Gleichzeitig lässt sich der zeitliche Verlauf der Feldstärke sehr genau kontrollieren. Obwohl ultrakurze Laserpulse schon seit längerem in einigen Laboren weltweit zur Erforschung von Licht induzierten dynamischen Prozessen eingesetzt werden, bleiben viele Fragen aufgrund der niedrigen Datenrate und des damit einhergehenden niedrigen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses gängiger Lasersysteme unbeantwortet.

Quelle MBI
Quelle: MBI

Am Max-Born-Institut ist kürzlich ein leistungsstarkes Lasersystem aufgebaut worden, das mit 100 kHz eine mehr als 10fach höhere Wiederholrate hat und gleichzeitig Laserimpulse erzeugt, die typischerweise in Attosekunden-Experimenten eingesetzt werden. Dieses neue Lasersystem wird sowohl eine neue Klasse von Experimenten an einfachen atomaren und kleinen molekularen Systemen als auch hochgenauen Untersuchungen an komplexeren Molekülen ermöglichen.

 

Die Attosekunden-Forschung ist in den letzten 15 bis 20 Jahren entstanden, nachdem Lichtpulse im extremen ultravioletten (XUV) Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums mit einer Pulsdauer von einigen 100 Attosekunden (1 as = 10-18 s) zur Verfügung standen. Durch diese extrem kurzen Lichtpulse haben Forscher einen ganz neuen Einblick in die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern erhalten. Sie machen sich hierbei die Pump-Probe-Technik zunutze: Das untersuchte System wird zunächst durch einen "Pump"-Laserpuls angeregt und dann zeitlich verzögert durch einen zweiten "Probe"-Puls (z.B. durch Ionisation des Systems) abgefragt. Die durch den Probepuls induzierte Dynamik kann man durch Wiederholung des Experiments bei verschiedenen Verzögerungszeiten abbilden. Mit Hilfe dieser Technik wurde in den letzten Jahren eine Reihe von eindrucksvollen Ergebnissen zu Fragen der Licht induzierten ultraschnellen Ladungsmigration, der Multielektronen-Korrelationen und der Kopplung von elektronischen und nuklearen Freiheitsgraden erzielt. Typischerweise wird bei diesen Experimenten die Geschwindigkeitsverteilung der durch die Pump-Probe-Sequenz erzeugten Elektronen oder Ionen detektiert oder die Änderung der XUV-Absorption in Abhängigkeit der Pump-Probe-Verzögerung aufgezeichnet. Oft sind die Licht induzierten Prozesse recht komplex, so dass die Messung nur einer Größe nicht ausreicht und die Interpretation der Ergebnisse bisweilen nur unvollständig gelingt. Ein großer Fortschritt ist bereits vor einigen Jahren durch die Entwicklung des sogenannten "Reaktionsmikroskops" erzielt worden. Mit dieser Apparatur ist es möglich, die volle dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung aller im Pump-Probe-Prozess erzeugten Elektronen und Ionen zu vermessen. Hierzu müssen die geladenen Teilchen in Koinzidenz detektiert werden. Nachteil dieser Messtechnik ist, dass die Signalrate sehr klein sein muss, d.h. dass nur 10% bis 20% der Laserschüsse zur Erzeugung eines Elektron-Ionen-Paars führen dürfen. Bei gängigen Lasersystemen führt dies zu sehr langen Messzeiten.

Lichtpulse mit einer Dauer im Attosekunden-Bereich werden erzeugt, wenn atomares Edelgas mit einem intensiven infraroten (IR) Laserpuls wechselwirkt. Diesen Prozess nennt man "Erzeugung hoher Harmonischer" (engl. high-order harmonic generation (HHG)). Wichtig ist hierbei, dass der IR-Puls nur wenige Oszillationen des elektrischen Felds lang ist, für IR-Pulse typischerweise kürzer als 10 fs (1 fs = 10-15 s), und der genaue zeitlich Verlauf der Feldstärke (sogenannte "Carrier-Envelope-Shape" (CEP)) kontrolliert wird. Ein typischer Aufbau zur Erzeugung derartiger Pulse besteht aus einem Titan:Saphir-Verstärkersystem mit aktiver Kontrolle der Pulsform und anschließender Pulsverkürzung durch nicht-lineare Prozesse in einer Gas gefüllten Hohlfaser. Diese weit verbreiteten Systeme haben jedoch aufgrund von thermischen Problemen begrenzte Wiederholraten bis zu maximal 10 kHz.

Kürzlich haben Forscher am Max-Born-Institut in Zusammenarbeit mit Kollegen beim Norwegian Defence Research Establishment ein Lasersystem entwickelt und aufgebaut, das bei sehr viel höheren Wiederholraten im Vergleich zu typischen Titan:Saphir-Verstärkern betrieben werden kann. Es eignet sich daher perfekt für Pump-Probe-Experimente mit ausgefeilten Detektionstechniken, wie die koinzidente Messung von Elektronen- und Ionengeschwindigkeiten in einem "Reaktionsmikroskop".

Das neue Lasersystem basiert auf dem Prinzip des nicht-kollinearen optisch-parametrischen Verstärkers (engl. noncollinear optical parametric amplifier (NOPA)). In einem parametrischen Verstärker wird die Energie eines starken Anregungspulses durch die nichtlineare Wechselwirkung in einen optischen Kristall in einen schwachen Signalpuls transferiert. Bei diesem Prozess muss sichergestellt sein, dass alle Photonen der Signalfrequenz mit der gleichen Phase abgestrahlt werden und sie sich kohärent überlagern, während der Signalpuls durch den Kristall wandert. Dies nennt man Phasenanpassung. Die Güte der Phasenanpassung bestimmt die Verstärkung und die Bandbreite des Signalpulses. Um die verstärkte Bandbreite zu maximieren, werden der Anregungs- und Signalpuls unter einem kleinen Winkel in den Kristall geschickt. Hierdurch ist es möglich sehr kurze, nur wenige Zyklen lange Pulse zu verstärken. Da die nichtlineare Wechselwirkung instantan im Kristall abläuft, wird die Energie des Anregungspulses weder gespeichert noch absorbiert, d.h. es gibt so gut wie kein thermisches Aufheizen. Daher sind NOPA-Verstärker hervorragend für hohe Wiederholraten geeignet.

In dem in einer Veröffentlichung in Optics Letters (https://doi.org/10.1364/OL.42.002495) vorgestellten Lasersystem verstärken die Wissenschaftler ultrakurze, CEP-stabile Pulse mit sehr niedriger Pulsenergie von einem Titan:Saphir-Oszillator in einen NOPA-Verstärker, der von einem kommerziellen Yb:YAG-Scheiben-Laser mit hoher Wiederholrate angeregt wird. Der parametrische Verstärkungsprozess erlaubt es nun einen großen Anteil (ca. 20%) der Pulsenergie des Anregungslasers auf den ultrakurzen, CEP-stabilen Puls zu übertragen. Das NOPA-System ist daher in der Lage 240 μJ Pulsenergie mit einer Wiederholrate von 100 kHz zur Verfügung zu stellen. Bei einer zentralen Wellenlänge von 800 nm erreicht das System eine mittlere Leistung von 24 W. Nach der Komprimierung, Filterung störender 2. Harmonischer sowie weiterer optischer Elemente zur Intensitätskontrolle stehen CEP-stabile Pulse mit einer Energie von 190 μJ (19 W mittlere Leitung) und 7 fs Pulsdauer (d.h. 2.6 Zyklen) für Experimente zur Verfügung. Das System wind in der nächsten Zukunft zur Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) eingesetzt mit dem Ziel der Erzeugung isolierter Attosekunden-Pulse. Es bildet die Grundlage für einen neuen Attosekunden-Pump-Probe-Messplatz mit koinzidenter Detektionstechnik.

Furch NOPA Abbildung 1: NOPA mit hoher Wiederholrate am Max-Born-Institut

Originalpublikation: Optic Letters 2017, Vol. 42, Issue 13
"CEP-stable few-cycle pulses with more than 190 μJ of energy at 100 kHz from a noncollinear optical parametric amplifier"
Federico J. Furch, Tobias Witting, Achut Giree, Chao Luan, Felix Schell, Gunnar Arisholm, Claus P. Schulz, and Marc J. J. Vrakking

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Dr. Federico Furch Tel. (030) 6392 1277
Dr. Tobias Witting Tel. (030) 6392 1228
Dr. Claus-Peter Schulz Tel. (030) 6392 1252
Prof. Dr. Marc Vrakking Tel. (030) 6392 1200

 
     
 


Ein perfektes Attosekunden-Experiment

16. Juni 2017

Die Attosekundentechnologie revolutioniert gerade die ultraschnelle laserphysikalische Forschung und ermöglicht Experimente, die einen beispiellosen Einblick in die Struktur und zeitabhängige Dynamik von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern liefern. In einem neuen Experiment haben Physiker von der Waseda Universität (Japan), dem National Research Council (Kanada) und dem Max-Born-Institut (Berlin) Attosekundentechnologie dazu benutzt, die quantenmechanische Wellenfunktion eines Elektrons, das durch Photoionisation erzeugt wurde, vollständig zu charakterisieren. Diese in Science erschienene Arbeit ist das erste Beispiel für ein "perfektes" Experiment, das sich auf Attosekundentechnologie stützt.

Quelle:NRC Ottawa
Künstlerdarstellung eines Experiments: Die Sequenz von zwei Laserfeldern interagiert mit den Elektronen, die in einem Atom zirkulieren. Das Ergebnis ist der Nachweis der Form einer elektronischen Wellenfunktion mit einer sechsfachen Symmetrie.
Quelle: NRC Ottawa

Die Entwicklung der Quantenmechanik in den ersten Jahrzehnten des vorigen Jahrhunderts zwang Wissenschaftler dazu zu akzeptieren, dass sich Materie auf der mikroskopischen Skala nach physikalischen Regeln verhält, die sich grundsätzlich von den in der makroskopischen Welt unterscheiden. In der mikroskopischen Welt spielen Konzepte wie die Unschärferelation eine Rolle, die die Genauigkeit beschreibt, mit der man bestimmte Eigenschaften kleiner Teilchen, z.B. ihren Ort und ihre Geschwindigkeit, zeitgleich messen kann. Darüber hinaus führt die Quantenmechanik den Welle-Teilchen-Dualismus ein, der besagt, dass das Verhalten von kleinen Teilchen manchmal besser durch Welleneigenschaften verstanden werden kann.

 

 

 

Diese nicht eingängigen Aussagen der Quantenmechanik beruhen auf der Tatsache, dass jede Messung an einem quantenmechanischen System nur ein Ergebnis aus einer großen Menge von möglichen Resultaten hervorbringt. Die Wahrscheinlichkeit, ein bestimmtes Ergebnis zu erhalten, wird durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung beschrieben, die aus der Wellenfunktion - einem fundamentalen Objekt der Quantenmechanik - abgeleitet wird. Die Wellenfunktion selbst ist nicht direkt messbar. Man kann jedoch Strategien entwickeln, wonach durch mehrfache Messung an einem quantenmechanischen System die Wellenfunktion komplett charakterisiert werden kann.

In einer Arbeit (Villeneuve et al., "Coherent Imaging of an Attosecond Electron Wave Packet"), die in Science veröffentlicht wurde, wird ein neuer Ansatz für die vollständige Charakterisierung einer atomaren Wellenfunktion mit Hilfe von neuartigen ultraschnellen Lasern, die erst vor wenigen Jahren entwickelt wurden, präsentiert. In den Messungen charakterisieren die Wissenschaftler die Wellenfunktion eines Elektrons, das nach der Wechselwirkung von einem Neon-Atom mit einer Serie von Laserpulsen erzeugt wird.

Elektronen sind Elementarteilchen, die für so alltägliche Dinge wie die Elektrizität verantwortlich sind. Sie werden z.B. durch ihre (negative) Einheitsladung charakterisiert. Daneben haben sie auch einen Drehimpuls. Das ist ein Vektor, der die Rotation des Elektrons um das Zentrum eines Atoms beschreibt. Eine langsame Rotation oder eine Rotation in der Nähe des positiv geladenen Atomkerns entspricht einem niedrigen Drehimpuls, während eine schnelle Rotation oder eine Rotation weit entfernt vom Kern zu einem hohen Drehimpuls führt. Die Regeln der Quantenmechanik legen fest, dass der Drehimpuls nur bestimmte Werte annehmen kann. Folglich werden Drehimpulszustände mit "s", "p", "d" und "f" bezeichnet, was den Drehimpulsquantenzahlen l=0-3 entspricht. Neben der Größe des Drehimpulses spielt die Projektion des Drehimpulsvektors auf eine gewählte Achse im Laborsystem (z.B. die Polarisationsachse des im Experiment benutzten Lasers) - charakterisiert durch die magnetische Quantenzahl m - für das Ergebnis und die Interpretation von Laborexperimenten eine Rolle.

In der Veröffentlichung beschreiben die Wissenschaftler wie es Ihnen gelungen ist, die Wellenfunktionen eines ionisierten Elektrons, das Beiträge des Drehimpulses bis zu einem Wert l=3 (d.h. s, p, d, und f-Beiträge) enthält, vollständig zu charakterisieren. Jeder dieser Drehimpulszustände ist in der Wellenfunktion mit einer bestimmten Amplitude und Phase enthalten. Diese Amplituden und Phasen werden nun durch eine Serie von Interferenzexperimenten bestimmt. Hierbei wird die Wellennatur des quantenmechanischen Teilchens ausgenutzt. Genau wie bei zwei sich kreuzenden Wasserwellen, die sich entweder verstärken oder auslöschen, können auch Interferenzen zwischen verschiedenen Teilen einer quantenmechanischen Wellenfunktion zu einer Erhöhung oder Reduktion der Wahrscheinlichkeit führen, mit der ein Teilchen an einem bestimmten Ort oder mit einer bestimmten Geschwindigkeit nachgewiesen wird. Indem nun eine Reihe von Interferenzexperimenten mit unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt wird, kann die paarweise Interferenz zwischen dem s- und d-Anteil der Wellenfunktion, dem p- und f-Anteil und schließlich zwischen allen vier Komponenten beobachtet werden (siehe Abbildung 1). Demensprechend wurde ein präziser und vollständiger mathematischer Ausdruck für die Wellenfunktion des ionisierten Elektrons erhalten.

Eine entscheidende Komponente für den Erfolg dieser einzigartigen Leistung war der Einsatz von Attosekunden-Laserpulsen (1 as = 10-18 s). Attosekundenpulse sind die kürzesten Laserpulse, die in modernsten Laserlaboratorien erzeugt werden können. Sie werden in einem Prozess erzeugt, der "Erzeugung hoher Harmonischer" (engl. high-harmonic generation) genannt wird. Hierzu wird ein atomares Edelgas einem intensiven Infrarot(IR)-Laserpuls ausgesetzt, der typischerweise eine Dauer von wenigen Femtosekunden (1 fs = 10-15 s) hat. Wenn die Intensität des Infrarot-Lasers hoch genug ist, kann das Laserfeld Elektronen aus dem Atom herausziehen, die anschließend im oszillierenden elektrischen Feld des Infrarot-Lasers beschleunigt werden. Einige der beschleunigten Elektronen stoßen dann mit dem Atom zusammen, aus dem sie entfernt wurden. In diesem Fall kann das Elektron von dem Atom wieder aufgenommen werden. Die gesamte Energie, die für die Ionisation und Beschleunigung des Elektrons aufgebracht wurde, wird dann in der Form eines hochenergetischen Lichtpartikels (d.h. eines Photons im extremen ultra-violetten (XUV) oder weichen Röntgen-Bereich des elektromagnetischen Spektrums) freigesetzt. Da die verschiedenen Schritte der Erzeugung hoher Harmonischer auf einer Zeitskala ablaufen, die kurz im Vergleich zur Dauer einer optischen Schwingung des Infrarot-Lasers (typischerweise wenige Femtosekunden) ist, erscheint dieses XUV/Röntgen-Licht in der Form eines kurzen Attosekunden-Pulses.

In dem Experiment haben die Forscher Attosekunden-XUV-Pulse dazu benutzt, Neonatome zu ionisieren. Wenn im Experiment nur der Attosekundenpuls gefeuert wird, wird eine Kombination von s- und p-Elektronen erzeugt, deren Amplitude und relative Phase aus der gemessenen Winkelverteilung bestimmt werden kann (siehe Abbildung 1A). Wird neben dem Attosekundenpuls zusätzlich eine Kopie des Infrarot-Laserpulses zur Ionisation benutzt, können die Amplitude und relative Phase der p- und f-Komponenten gewonnen werden (siehe Abbildung 1B). Werden schließlich die Attosekundenpulse mit Hilfe eines Zwei-Farben-Laserfelds (d.h. sowohl mit dem erwähnten Infrarot-Laserpuls als auch mit einer Kopie dieses Pulses bei halber Wellenlänge) erzeugt und zusammen mit dem Infrarot-Puls benutzt, kann bei der Ionisation die Amplitude und relative Phase von allen vier Komponenten (s, p, d und f) bestimmt werden. Das Ergebnis des Experiments und die ermittelten Amplituden und Phasen aller Drehimpulskomponenten sind in Abbildung 1C und 1D dargestellt. Die deutlich sichtbare sechsfache Struktur wird durch den dominanten Beitrag des f-Orbital mit m=0 bei der XUV+IR-Ionisation hervorgerufen. Durch die kohärente Überlagerung eines Beitrags des vollständig symmetrischen s-Orbitals (erzeugt nur durch den XUV-Puls) und die Änderung der Verzögerung zwischen XUV- und IR-Puls kann eine Auf- und Aboszillation entlang der vertikalen Laserpolarisation erzeugt werden, die die Phase des f-Orbitals sichtbar macht.

Dieses Experiment ist, was Atomphysiker als ein "komplettes" Experiment erachten, da es eine vollständige mathematische Beschreibung der Wellenfunktion des ionisierten Elektrons ermöglicht. Es ist darüber hinaus das neueste Beispiel dafür, wie die Attosekundentechnologie derzeit die ultraschnelle Laserphysik revolutioniert. Mit der vorliegenden Arbeit hat diese Forschung zum ersten Mal einen Zustand der Perfektion erreicht. (Textübersetzung: Dr. Claus-Peter Schulz)

VRAttosecondExperiement Abbildung 1: A) Die Ionisation mit dem XUV-Pulse alleine erzeugt ein Elektron in einem Zustand, der durch "s"- und "d"-Drehimpulse charakterisiert wird. Durch eine Messung der Elektronenwinkelverteilung wird die relative Amplitude und Phase zwischen beiden Komponenten bestimmt; B) XUV+IR-Ionisation erzeugt ein Elektron in einem "p"- und "f"-Drehimpulszustand. Wieder wird die relative Amplitude und Phase aus der Messung der Elektronenwinkelverteilung bestimmt; C) Die kombinierte XUV-alleine- und XUV+IR-Ionisation erzeugt Elektronenwellenfunktionen, die sowohl "s", "p", "d" und "f" Beiträge enthalten. Die Interferenzen zwischen diesen Drehimpulskomponenten ändern sich mit der Verzögerung zwischen XUV-Puls und ko-propagierendem IR-Puls. Der große Beitrag der "f"-Komponente ist deutlich im ersten und letzten Bild sichtbar; D) Gemessenes Elektronenimpuls-Bild bei zwei Zeitverzögerungen zwischen XUV-Puls und IR-Puls (entsprechend dem ersten und letzten Bild in C). Das vorliegende Experiment ermöglicht eine komplette Bestimmung der relativen Amplitude und Phase aller Drehimpulskomponenten und repräsentiert daher ein "perfektes" Experiment.

Originalpublikation: Science. 2017, Vol. 356, Issue 6343
"Coherent imaging of an attosecond electron wave packet"
D. M. Villeneuve, Paul Hockett, M. J. J. Vrakking, Hiromichi Niikura

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Tumult im trägen Elektronen-Dasein

22. Mai 2017

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.
Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds. Es herrscht also relative Ruhe im dielektrischen Kristallgitter. Dieses Idyll haben nun Physiker vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in einer Teamarbeit mit Wissenschaftlern vom Institut für Photonik und Nanotechnologien (IFN-CNR) in Mailand, dem Institut für Physik der Universität Rostock, dem Max-Born-Institut (MBI), sowie dem Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) und der Universität Hamburg erheblich durcheinander gewirbelt. Zum ersten Mal haben es die Forscher damit geschafft, die Interaktion zwischen Licht und Elektronen in einem Dielektrikum, also einem nichtleitenden Material auf Zeitskalen von Attosekunden (Milliardstel von milliardstel Sekunden) zu verfolgen.

Die Forscher schickten auf ein rund 50 Nanometer dickes Glasteilchen Lichtblitze, die nur wenige hundert Attosekunden dauerten und Elektronen in dem Glas freisetzten. Gleichzeitig strahlten die Forscher ein intensives Lichtfeld auf die Glasteilchen, das nur wenige Femtosekunden (Millionstel von milliardstel Sekunden) wirkte und die freigesetzten Elektronen in Schwingungen versetzte. Grundsätzlich konnte es in der Folge zu zwei unterschiedlichen Reaktionen der Elektronen kommen. Zuerst setzen sie sich in Bewegung, dann stoßen sie mit den Atomen aus dem Teilchen entweder elastisch oder inelastisch. Zwischen jeder Wechselwirkung konnten sich die Elektronen aufgrund des dichten Kristallgitters nur wenige Ångström (10 -10 Meter) frei bewegen. "Bei einem elastischen Stoß bleibt wie beim Billard die Energie des Elektrons erhalten, nur die Richtung kann sich ändern. Bei einem inelastischen Stoß werden die Atome angeregt und ein Teil der Energie der Elektronen geht verloren. Für das Experiment bedeutete dies einen Rückgang des Elektronensignals, den wir messen konnten.", beschreibt Prof. Francesca Calegari (CNR-IFN Mailand und CFEL/Universität Hamburg) die Experimente.

Da es dem Zufall überlassen ist, ob eine Interaktion elastisch oder inelastisch erfolgt, werden mit der Zeit zwangsläufig inelastische Interaktionen stattfinden und die Anzahl rein elastisch gestreuter Elektronen abnehmen. Durch genaue Messung der Schwingung der Elektronen in dem starken Lichtfeld gelang es den Forschern herauszufinden, dass es im Mittel ca. 150 Attosekunden dauerte, bis elastisch stoßende Elektronen das Nanoteilchen verlassen hatten. "Aus der gemessenen Zeitverzögerung konnten wir mittels unserer neu entwickelten Theorie eine inelastische Stoßzeit von etwa 370 Attosekunden für die Elektronen bestimmen und damit erstmals diesen Prozess in einem Dielektrikum zeitlich vermessen", beschreibt Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock und dem Max-Born-Institut in Berlin die Analyse der Messdaten.

Die Erkenntnisse der Forscher könnten nun medizinischen Anwendungen zu Gute kommen. Denn mit diesen weltweit ersten Ultrakurzzeit-Beobachtungen von Elektronenbewegungen in einem nichtleitenden Material haben die Forscher wichtige Erkenntnisse über die Wirkung von Strahlung in einem Körper erlangt, der dem menschlichen Gewebe ähnlich ist. In den Experimenten ist die Energie der angeregten Elektronen über das Licht steuerbar und somit kann dieser Prozess für einen breiten Energiebereich und für verschiedene Dielektrika untersucht werden. "Bei jeder Einwirkung hochenergetischer Strahlung auf Gewebe werden Elektronen erzeugt, die wiederum durch inelastische Stöße Energie auf die Atome und Moleküle des Gewebes übertragen, wodurch dieses zerstört werden kann. Genaue Kenntnisse über die Elektronenstreuung sind daher für die Bekämpfung von Tumoren wichtig. Hiermit lassen sich durch Computersimulationen Behandlungen so optimieren, dass ein Tumor zerstört wird, gesundes Gewebe aber möglichst verschont bleibt.", beschreibt Prof. Matthias Kling die Bedeutung der Arbeiten. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler in den Experimenten die Glas-Nanoteilchen durch Wassertropfen ersetzen, um das Wechselspiel zwischen Elektronen und dem Stoff, aus dem lebendes Gewebe größtenteils besteht, genauer zu untersuchen.
(Text: Thorsten Naeser)

Fennel

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb.: Ein Team von Physikern hat die Zeit gemessen, die Elektronen benötigen, um nach ihrer Anregung durch ultraviolettes Licht ein Dielektrikum zu verlassen. Die Messung (dargestellt in Falschfarben) war die erste ihrer Art in einem Dielektrikum und hat eine Zeitdauer von 150 Attosekunden (as) ergeben. Aus dieser Zeit konnten die Physiker bestimmen, dass inelastische Streuung im Dielektrikum im Mittel ca. 370 as dauert.

Originalpublikation: Nature Physics (2017) doi:10.1038/nphys4129
Attosecond Chronoscopy of Electron Scattering in Dielectric Nanoparticles
L. Seiffert, Q. Liu, S. Zherebtsov, A. Trabattoni, P. Rupp, M. C. Castrovilli, M. Galli, F. Süßmann, K. Wintersperger, J. Stierle, G. Sansone, L. Poletto, F. Frassetto, I. Halfpap, V. Mondes, C. Graf, E. Rühl, F. Krausz, M. Nisoli, T. Fennel, F. Calegari, M. F. Kling.

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Prof. Dr. Thomas Fennel Tel. 030 6392 1245

 
     
 


Das MBI begrüßt Heisenberg-Stipendiat Thomas Fennel

12. April 2017

MRichter

Prof. Thomas Fennel, Gruppenleiter am Institut für Physik der Universität Rostock, erhält das begehrte Heisenberg-Stipendium, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) vergeben wird.

Prof. Dr. Thomas Fennel - Foto: Julia Tetzke, Uni Rostock  

Prof. Thomas Fennel, Gruppenleiter am Institut für Physik der Universität Rostock, erhält das begehrte Heisenberg-Stipendium, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) vergeben wird. Ziel des Programms ist die Förderung von Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftlern, die sich durch herausragende wissenschaftliche Leistungen auszeichnen und auf Professuren berufbar sind. Im Rahmen des bewilligten Stipendiums, für das offiziell bereits am 1. Januar 2017 der Startschuss fiel, unterstützt die DFG ein Forschungsprojekt zur theoretischen und experimentellen Untersuchung neuer Wege zur Analyse und Kontrolle ultraschneller elektronischer Vorgänge in Nanostrukturen. Die damit verknüpfte Forschung ist Gegenstand einer engen Kollaboration zwischen Fennels Team an der Universität Rostock und Wissenschaftlern der Abteilung A des Max-Born-Instituts für Kurzzeitspektroskopie und Nichtlineare Optik in Berlin, die von Prof. Marc Vrakking geleitet wird und an welcher Fennel nun als assoziierter Wissenschaftler wirkt.

Die Forschungsarbeiten richten sich auf die aktive Modifikation und räumliche Abbildung ultraschneller korrelierter und kollektiver Elektronenbewegung in endlichen Systemen. Auf der einen Seite sollen Wege zur Kontrolle der Elektronendynamik in Clustern, Nanoteilchen und Flüssigkeitsstrahlen auf der Zeitskala einer optischen Periode mit Hilfe der konkreten Form des elektrischen Feldes von Lichtpulsen oder mit Mehrfarben-Pulsen erforscht werden. Andererseits soll die Elektronenbewegung mit Hilfe ultrakurzer Röntgenlaserblitze direkt sichtbar gemacht werden. Ziel ist es, die Technologie zur Charakterisierung der Attosekunden-Elektronendynamik in Nanoteilchen mittels kohärenter Einzelschuss-Röntgenbeugung weiterzuentwickeln und in Experimenten mit ultrakurzen XUV und Röntgenlaserpulsen aus Freie-Elektronen-Lasern und Laborquellen für hohe Harmonische einzusetzen. Schließlich sollen beide Ansätze verknüpft werden, um lichtinduzierte Elektronendynamik mit bislang unerreichter zeitlicher und räumlicher Auflösung verfolgen zu können und die Geheimnisse ihrer klassischen und quantenmechanischen Prozesse aufzudecken. Prof. Fennel ist ein ausgewiesener Experte auf den Gebieten numerische Vielteilchenphysik und ultraschnelle Nanophotonik. Seine derzeitigen Arbeiten zielen auf die Entwicklung atomistischer elektromagnetischer Plasmasimulationen unter Einbeziehung relevanter Quanteneffekte um den wissenschaftlichen Herausforderungen des Projektes zu begegnen. Im Namen aller Mitarbeiter und in Erwartung einer fruchtbaren Zusammenarbeit mit den lokalen experimentellen und theoretischen Gruppen heißt das Max-Born-Institut Prof. Fennel herzlich willkommen.

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Prof. Dr. Marc Vrakking Tel. (030) 6392 1200
Prof. Dr. Thomas Fennel Tel. (030) 6392 1295

 
     
 


Nanostrukturen als Wegweiser für effiziente Laser-Protonen-Beschleuniger

14. März 2017

Nanostrukturierte Oberflächen haben vielfältige Anwendungen. Unter anderem werden sie eingesetzt, um gezielt die Absorption von Licht zu erhöhen. Man findet sie überall dort, wo es darum geht, möglichst viel Energie aus Licht zu gewinnen, z. B. in der Photovoltaik. Aber auch in der Laserbeschleunigung von Protonen wird dieser Ansatz interessiert verfolgt, verspricht der Einsatz von nanostrukturierten Targets bei gleicher Laserenergie doch deutlich höhere Protonenenergien und -zahlen. Wie bei jeder anderen neuen Technologie ist auch hier ein hoher Wirkungsgrad entscheidend für einen möglichen zukünftigen Einsatz. Forscher am Max-Born-Institut (MBI) in Berlin haben jetzt untersucht, unter welchen Bedingungen der Einsatz von Nanostrukturen in der Laser-Ionen-Beschleunigung lohnt.

Wird ein ultrakurzer Laserimpuls (˜30 fs, >1 J) auf eine Festkörperfolie fokussiert, so dass relativistische Intensitäten (>1018 W/cm2) erreicht werden, wird die Materie durch Feldionisation sofort in einen Plasmazustand überführt. Die Elektronen werden im Laserfeld auf relativistische Energien beschleunigt. Während die schnellsten Elektronen das Target verlassen können, sind die etwas langsameren (immer noch relativistischen) Elektronen im Coulombpotential des (jetzt) positiv geladenen Targets gefangen und oszillieren in diesem Feld. Sie bilden eine dynamische Schicht (sheath) aus, die mit der Targetoberfläche ein elektrisches Feld von etlichen Megavolt pro Mikrometern aufbaut, in dem positive Ionen (z.B. Protonen und Kohlenstoffionen aus der Oberflächenkontaminationsschicht) extrem beschleunigt werden. Diesen Prozess nennt man TNSA (target normal sheath acceleration). Abb. 1 zeigt die Aufnahme eines solchen Protonenbunches.

Die Idee hinter dem Einsatz von nanostrukturierten Oberflächen ist nun denkbar einfach: Die Nanostrukturen erhöhen die Laserabsorption, d. h. es werden mehr und höher energetische Elektronen erzeugt, die wiederum mehr Protonen zu höheren Energien beschleunigen können.

Es gibt aber auch andere Wege, um den TNSA Mechanismus zu optimieren - insbesondere zählt hierzu die Optimierung des Plasmagradienten, d. h. des Dichteprofils des Targets. Die angewendeten Laserintensitäten sind so groß, dass die Ionisation des Targets nicht erst im Peak des Laserimpulses auftritt, sondern während des Pulsanstiegs startet. Das vorionisierte Plasma dehnt sich aus, die Dichte wird dadurch geringer. Der Plasmagradient ist daher maßgeblich durch die genaue zeitliche Pulsstruktur bestimmt.

Das Team um Dr. Matthias Schnürer vom Max-Born-Institut in Berlin hat nun untersucht, unter welchen Bedingungen der Einsatz von nanostrukturierten Targets vorteilhaft ist. Dazu haben die Physiker die Targets in-situ mit dem Laser strukturiert. Diese Methode der Erzeugung laser-Induzierter periodischer Oberflächenstrukturen ist besonders einfach und erlaubt im Prinzip, wie die Physiker betonen, auch die Entwicklung eines hochrepetitierenden Targetsystems. In einem ersten Schritt wird die Oberfläche mit dem abgeschwächten Laser strukturiert (etwa 20 Impulse). Eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme der so strukturierten Fläche ist in Abb. 2 zu sehen. Strukturanalyse und Simulationen zeigen, dass die Strukturen nahezu optimale Parameter für eine maximale Laserabsorption aufweisen. Im folgenden Schritt wird dann der volle Laserpuls auf diese strukturierte Fläche fokussiert. Dr. Andrea Lübcke und ihre Kollegen haben diese Untersuchungen für verschiedene Laserintensitäten und bei einem Laserkontrast durchgeführt, der bei maximaler Laserintensität optimal ist. Zunächst konnte gezeigt werden, dass die Nanostrukturen bei diesen Kontrastverhältnissen auch bei höchsten Intensitäten zu einer Erhöhung der Laserabsorption und damit der Kα-Ausbeute führen (siehe Abb. 2a). Für relativ kleine Intensitäten konnten die Nanostrukturen sowohl die Konversionseffizienz als auch die Protonenenergie deutlich gegenüber dem unstrukturierten Target erhöhen. So wurde z. B. bei ˜5x1017 W/cm2 die maximale Protonenenergie vervierfacht, die Konversionseffizienz von Laser- in Protonenenergie wurde sogar um mehr als 2 Größenordnungen erhöht. Für die höchsten Laserintensitäten und den gegebenen optimalen Laser-Plasma-Parametern wurde allerdings kein signifikanter Nutzen der Nanostrukturen für die Protonenbeschleunigung gemessen (Abb. 2b, c). Die Physiker der Projektgruppe spekulieren, dass es einen Effekt geben könnte, der bei optimalen Laser-Plasma-Bedingungen den zusätzlichen Energietransfer in die schnellsten Elektronen beschränkt. Vollkommen überrascht ist das Team nicht von diesen Ergebnissen: Wie bei vielen Optimierungsproblemen, gibt es verschiedene Optimierungsansätze. Die Kombination von mehreren von ihnen führt in aller Regel nicht zu noch besseren Ergebnissen. Jedoch können diese Experimente in einem extremen Parameterbereich nicht in allen Facetten theoretisch simuliert werden. Somit ist es entscheidender Verdienst dieser Arbeit, klar gestellt zu haben, wann der Einsatz von Nanostrukturen lohnt und in welche Richtung neue theoretische Untersuchungen initiiert werden können.

Luebcke

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Laserbeschleunigte Ionen, sichtbar gemacht in einer Wilsonkammer.
Luebcke

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 2: Typische Rasterelektronenmikroskopieaufnahme der strukturierten Titanoberfläche (oben). Die Kα Ausbeute des strukturierten Targets (a) ist über den gesamten untersuchten Intensitätsbereich deutlich gegenüber dem unstrukturierten Target erhöht und zeigt, dass die Nanostrukturen auch bei höchsten Intensitäten wirken. Dahingegen sieht man, dass sich die Konversionseffizienzen (Energietransfer in schnelle Protonen) (b, logarithmische Skala) und die maximalen Protonenenergien (c) der beiden Targets für höchste Intensitäten angleichen.

Originalpublikation: Scientific Reports 7, 44030 (2017) doi:10.1038/srep44030
Prospects of target nanostructuring for laser proton acceleration
Andrea Lübcke, Alexander A. Andreev, Sandra Höhm, Rüdiger Grunwald, Lutz Ehrentraut, Matthias Schnürer

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Dr. Andrea Lübcke Tel. 030 6392 1247
Dr. Matthias Schnürer Tel. 030 6392 1350

 
     
 


Gitter aus Nanofallen und Verringerung der Linienbreite in einem Raman-aktiven Gas

8. Februar 2017

Die Verringerung der Emissionslinienbreite eines Moleküls ist eines der Hauptziele der Präzisionsspektroskopie. Ein Ansatz dafür basiert auf der Kühlung von Molekülen bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts. Eine alternative Möglichkeit ist die Lokalisierung der Moleküle auf der Subwellenlängenskala. Ein neuartiger Ansatz in dieser Richtung wurde kürzlich von einem gemeinsamen Team des Max-Born-Instituts (A. Husakou) und des Xlim Instituts in Limoges vorgeschlagen. Dieser Ansatz verwendet zur Lokalisierung eine stehende Welle in einer gasgefüllten Hohlfaser. Sie erzeugt für Raman-aktive Moleküle ein Gitter aus tiefen Fallen auf Nanometer-Skala, was zu einer Verringerung der Linienbreite um den Faktor 10 000 führt.

Die Strahlung, die von Atomen und Molekülen emittiert wird, wird üblicherweise durch die Bewegung der Emitter spektral verbreitert, ein Effekt, der Dopplerverbreitung genannt wird. Die Überwindung dieses Effekts ist eine schwierige Aufgabe, insbesondere für Moleküle. Eine Möglichkeit, die molekulare Bewegung zu reduzieren, besteht darin, tiefe Potentialfallen mit kleinen Dimensionen zu erzeugen. Bisher wurde dies - allerdings mit begrenztem Erfolg - dadurch erreicht, dass z.B. mehrere gegenläufige Strahlen in einem komplizierten Aufbau angeordnet wurden.

Die Forscher der Kooperation zwischen Max-Born-Institut und Xlim-Institut zeigen, dass die Subwellenlängen-Lokalisierung und die Verringerung der Linienbreite in einer sehr einfachen Anordnung durch Selbstorganisation von Raman-aktivem Gas (molekularem Wasserstoff) in einer kristallinen, photonischen Hohlfaser möglich sind. Raman-Streuung wandelt das Pumplicht in sogenannte Stokes-Seitenbänder um. Durch Reflexionen an den Faserenden laufen diese Seitenbänder in der Faser hin und her und bilden ein stationäres Interferenzmuster: eine stehende Welle mit alternierenden Bereichen von hohem und niedrigem Lichtfeld [Abb. 1]. In den Hochfeldregionen ist der Raman-Übergang gesättigt und nicht aktiv. Die Moleküle haben eine hohe potentielle Energie, da sie teilweise im angeregten Zustand sind. In der Niedrigfeldregion sind die Moleküle Raman-aktiv. Sie haben eine niedrige Potentialenergie, da sie nahe am Grundzustand sind. Diese Niedrigfeldregionen bilden ein Gitter von etwa 40 000 schmalen, starken Fallen, die lokalisierte Raman-aktive Moleküle enthalten. Die Größe dieser Fallen beträgt etwa 100 nm (1 nm = 10-9 m), was viel kleiner ist als die Lichtwellenlänge von 1130 nm. Daher haben die emittierten Stokes-Seitenbänder eine sehr schmale Spektralbreite von nur 15 kHz - 10 000 mal schmaler als die doppelverbreiterten Seitenbänder unter den gleichen Bedingungen!

Die Selbstorganisation des Gases manifestiert sich auch auf der makroskopischen Skala. Zunächst zeigen die Berechnungen, dass der Raman-Prozess hauptsächlich genau in dem Faserabschnitt stattfindet, in dem die stehende Welle gebildet wird, wie im oberen Teil von Abb. 1 gezeigt ist. Weiterhin führt der makroskopische Gradient des Potentials zur Strömung des Gases zu den Faserenden, was mit bloßem Auge im Experiment beobachtet werden kann. Diese starke Lokalisierung und die Verengung der Linienbreite können zu verschiedenen Anwendungen z.B. in der Spektroskopie führen. Es kann aber auch als ein Verfahren zur periodischen Modulation der Gasdichte verwendet werden, was für die Entwicklung von quasi-phasenangepassten Anordnungen für weitere nichtlineare Prozesse geeignet ist wie z.B. zur effektiven Erzeugung von hohen Harmonischen.

Eichmann

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Das Pumplicht wandelt sich auf der makroskopischen Skala in nach vorne gerichtete Stokes-Strahlung (FS) um, die teilweise vom Faserende reflektiert wird und zu rückwärts gerichteter Stokes-Strahlung (BS) wird. Letztere wird ebenfalls durch das Pumplicht verstärkt. In dem Gebiet, in dem sowohl FS als auch BS stark sind, bilden sie ein Interferenzmuster der stehenden Welle, das auf der mikroskopischen Skala dargestellt ist. In den Niedrigfeldbereichen (durch rotgefärbte Moleküle gekennzeichnet) befinden sich die Moleküle im Grundzustand und sind stark lokalisiert, wie das Potential im unteren Teil zeigt. Genau diese "gefangenen" Moleküle sind Raman-aktiv, was zur Verringerung der Linienbreite führt.

Originalpublikation: Nature Communications 7, 12779 (2016) doi:10.1038/ncomms12779
"Raman gas self-organizing into deep nano-trap lattice"
M. Alharbi, A. Husakou, M. Chafer, B. Debord, F. Gérôme und F. Benabid

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Extrem kleine Atombewegungen werden mittels ultrakurzer Röntgenblitze aufgezeichnet

1. Februar 2017

Periodische Atombewegungen auf einer Längenskala von einem Milliardstel eines Millionstels eines Meters (10-15 m) werden mittels ultrakurzer Röntgenimpulse abgebildet. Bei dieser neuen experimentellen Technik werden regelmäßig angeordnete Atome in einem Kristall durch einen Laserimpuls in Schwingungen versetzt, die mit Hilfe einer Reihe von Schnappschüssen über die geänderte Röntgenabsorption beobachtet werden.

Ein Kristall ist eine regelmäßige, periodische Anordnung von Atomen oder Ionen, welche über Kräfte zwischen deren Elektronen zusammengehalten werden. Die Atomkerne können Schwingungen um ihre Gleichgewichtspositionen ausführen. Die räumliche Auslenkung der Kerne bei solchen Schwingungen ist viel kleiner als der Abstand zwischen benachbarten Atomen. Dennoch hat die Schwingungsbewegung eine Rückwirkung auf die Elektronen, indem sie deren räumliche Verteilung moduliert und damit die elektronischen und optischen Eigenschaften des Kristalls verändert. Diese Prozesse laufen auf einer Zeitskala deutlich unterhalb einer Pikosekunde (1 ps = 10-12 s) ab. Um solche Effekte zu verstehen und auch anzuwenden, etwa in akusto-optischen Bauelementen, ist eine direkte Abbildung des filigranen Zusammenspiels zwischen Kern- und Elektronenbewegungen auf der Subpikosekunden-Zeitskala wünschenswert.

In der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review B (Rapid Communication) berichten Forscher vom Max-Born-Institut in Berlin (Deutschland), vom Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology in Dübendorf (Schweiz)) und dem National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg (USA) über ein neuartiges Experiment, das es erlaubt, einerseits kohärente Atomschwingungen in kleinen LiBH4 Kristallen gezielt anzuregen, und andererseits diese über die modifizierte Röntgenabsorption auszulesen [Abb. 1.] In den Experimenten regte ein optischer Lichtimpuls (Wellenlänge 800 nm) mittels impulsiver Ramanstreuung ein optisches Phonon an [movie]. Die Atombewegungen dieser Schwingung verändern periodisch die Abstände zwischen Li+ und (BH4)- Ionen. Diese Distanzänderungen modulieren wiederum die räumliche Verteilung der Elektronen im Kristall und damit das Röntgen-Absorptionsspektrum Li+-Ionen. Auf diese Weise transformieren sich die Atomschwingungen in eine oszillatorische Modulation der Röntgenabsorption an der sogenannten Li K-Kante bei Photonenergien von 60 eV. Ultrakurze Röntgenblitze messen damit die Veränderungen der Röntgenabsorption zu verschiedenen Verzögerungszeiten zwischen Anreg- und Abtastimpulsen. Aus dieser Reihe von Schnappschüssen können dann die Atombewegungen rekonstruiert werden.

Das neue experimentelle Konzept ist extrem empfindlich und erlaubte zum ersten Mal Atomschwingungen mit extrem kleinen Amplituden anzustoßen und zu vermessen. Im vorliegenden Fall bewegten sich die Li+-Ionen nur eine Strecke von 3 Femtometern = 3 x 10-15 m, eine Länge, die etwa dem Durchmesser eines Li+ Atomkerns entspricht. Diese Strecke ist damit 100000 mal kleiner als der Abstand zwischen den Ionen im Kristall. Die experimentellen Beobachtungen sind in exzellenter Übereinstimmung mit einer detallierten Theorie der Röntgenabsorption. Diese neue Methode auf der Femtosekunden-Zeitskala birgt ein vielversprechendes Potential, um das Zusammenspiel zwischen Kern- und Elektronenbewegungen in kondensierter Materie abzubilden und zu verstehen, eine wesentliche Voraussetzung für weitergehende Theorien und Anwendungen in verschiedenen Technologien.

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Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: In einem Röntgen-Absorptionsexperiment regt Licht ein stark gebundenes Rumpfelektron in einen Leitungsbandzustand des Kristalls an, wie auf der linken Seite der Abbildung gezeigt. Das Rumpfelektron des Li Atoms (grüne Wellenfunktion) wird ins Leitungsband (rote Wellenfunktion) angeregt, welches sowohl mit dem Li Kern als auch mit Borhydridgruppe wechselwirkt. Dieser Zustand reagiert sehr empfindlich auf Abstandsänderungen zwischen den An- und Kationen (siehe auch Abb. 2(b) und 3(d) im Hauptartikel). Auf der rechten Seite sieht man das Lithium K-Kanten-Röntgenabsorptionsspektrum für verschiedene, übertrieben große Schwingungsauslenkungen.
Movie Movie: Was passiert in der Einheitszelle von LiBH4 Kristallen nachdem eine impulsive Ramananregung mit einem Femtosekunden-Laserimpuls erfolgt ist? Oberes Teilbild: Gemessene, transiente Absorptionsänderung Δ A(t)(Symbole) als Funktion der Verzögerungszeit zwischen infraroten Anreg-Lichtimpulsen und Abtast-Impulsen im weichen Röntgenbereich bei Photonenergien von ħω = 61.5 eV [siehe auch Abb. 3(a) im Hauptartikel]. Die untere Box zeigt die Atome in der Einheitszelle von LiBH4 Kristallen mit roten Boratomen, grauen Wasserstoffatomen und grünen Lithiumatomen. Der sich bewegende blaue Punkt im oberen Teilbild ist synchronisiert mit den sich bewegenden Atomen in der unteren Box. Die Amplitude der Bewegung ist um den Faktor 30000 überzeichnet, um die konzertierte Bewegung sichtbar zu machen. Die rötliche Farbe der Einheitszelle zeigt während des Impulsüberlapps die Intensität der infraroten Anreg-Lichtimpulse.

Originalpublikation: Physical Review B 95, 081101 (R) (2017)
Ultrafast modulation of electronic structure by coherent phonon excitations
J. Weisshaupt, A. Rouzée, M. Woerner, M. J. J. Vrakking, T. Elsaesser, E. L. Shirley, and A. Borgschulte

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Dr. Michael Wörner Tel. 030 6392 1470
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Ein vereinheitlichtes Zeit- und Frequenzbild zur Erklärung ultraschneller atomarer Anregung in starken Laserfeldern

5. Januar 2017

Dass Licht entweder als elektromagnetische Welle oder als ein Strom von "Energiequanten" (Photonen) aufgefasst werden muss, durchzieht die Geschichte der Quantenphysik wie ein roter Faden. Im Falle der Wechselwirkung von intensiver kurzpulsiger Laserstrahlung findet dieser Dualismus seine Entsprechung in den anschaulichen Bildern, die zur Beschreibung von Ionisation und Anregung von Atomen herangezogen werden: das Multiphotonenbild und das Tunnelbild. In einer kombinierten theoretischen und experimentellen Studie zur ultraschnellen Anregung von Atomen in intensiven Laserfeldern gelang es Forschern des Max-Born-Institutes, die beiden vorherrschenden und scheinbar entgegengesetzten Erklärungsbilder für die Wechselwirkung von Materie mit intensiver Laserstrahlung auf einen zugrunde liegenden nichtlinearen Prozess zurückzuführen und aufzuzeigen, wie beide Bilder ineinander überführt werden können. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen und von den Editoren für ihre Bedeutung, Innovation und Breitenwirkung als Editors' Suggestion ausgezeichnet worden. Neben ihrer grundlegenden Aussage und Bedeutung zeigt die Arbeit verbesserte und neue Wege zur genauen Bestimmung der Laserintensität und zur laserintensitätsabhängigen Steuerung der kohärenten Zustandsbesetzung atomarer Niveaus auf.

Obwohl mit dem Keldysh Parameter, der bereits in den 1960er Jahren durch den namengebenden russischen Physiker eingeführt wurde, eine klare Unterscheidung zwischen dem Multiphotonen- und Tunnelbild vorgenommen wurde, ist es eine offene Frage geblieben, ob, insbesondere bei der Beschreibung der Anregung von Atomen durch intensive Laserfelder, die beiden scheinbar unvereinbaren Ansätze ineinander überführt werden können.

Der Multiphotonencharakter äußert sich z.B. im Auftreten resonanter Erhöhungen in der Anregung, sobald ein ganzzahliges Vielfaches der Photonenenergie der Anregungsenergie atomarer Zustände entspricht. Man muss jedoch berücksichtigen, dass sich die atomaren Niveaus mit zunehmender Laserintensität zu höheren Energien verschieben. Das führt dazu, dass auch bei festgehaltener Frequenz der Laserstrahlung resonante Effekte durch eine Erhöhung der Laserintensität auftreten. Diese erfolgen periodisch, immer dann, wenn die Energieverschiebung der Niveaus um eine Photonenenergie zugenommen hat. Diese Bereiche werden als channel closing bezeichnet (Abschluss eines Multiphotonenprozesses mit fester Photonenzahl), da gleichzeitig mit der erhöhten Anregung die Ionisation unterdrückt wird.

Im Tunnelbild wird das Laserfeld als elektromagnetische Welle betrachtet, von der nur das oszillierende elektrische Feld berücksichtigt wird. Anregung kann dabei als ein Prozess verstanden werden, bei dem das gebundene Elektron zunächst durch einen Tunnelprozess in der Nähe des Maximums eines Feldzyklus instantan freigesetzt wird. Das Elektron nimmt aber in vielen Fällen nicht genügend Driftenergie aus der Oszillation im Laserfeld auf, um sich am Ende des Laserpulses aus dem Coulombfeld seines Rumpfions zu befreien, was zur Ionisation des Atoms führen würde. Stattdessen findet es sich in einem angeregten Rydbergzustand wieder. Im Tunnelbild sind keine resonanten Effekte in der Anregung möglich, da das Laserfeld für den Tunnelprozess als statisch angenommen wird und dadurch die Frequenz des Lichtes zunächst unerheblich ist.

In der Studie wurde nun erstmalig die Ausbeute an angeregten Argon- und Neonatomen als Funktion der Laserintensität sowohl im Multiphotonen- als auch im Tunnelbereich direkt gemessen. Im Multiphotonenbereich wurden ausgeprägte resonante Erhöhungen in der Anregungswahrscheinlichkeit detektiert, insbesondere in der Nähe der regelmäßigen channel closings, während im Tunnelbereich die Anregungswahrscheinlichkeit keine resonanten Strukturen mehr zeigt. Allerdings konnte Anregung auch bei hohen Laserintensitäten jenseits der Intensitätsschwelle zur vollständigen Ionisation beobachtet werden.

Die numerische Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung zur Beschreibung der untersuchten Atome im starken Laserfeld führte in beiden Bereichen zu einer exzellenten Übereinstimmung der Theorie mit den experimentellen Daten. Eine genauere Analyse der Ergebnisse zeigt, dass man die beiden Bilder als eine komplementäre Beschreibung im Frequenz- und Zeitraum von ein und demselben nichtlinearen Prozess ansehen kann. Im Zeitbild betrachtet kann man annehmen, dass in den Maxima der Feldzyklen periodisch Elektronenwellenpakete erzeugt werden. Im Multiphotonenbereich zeigt sich, dass diese Wellenpakete hauptsächlich im Laserpulsmaximum erzeugt werden und nur dann genau konstruktiv interferieren, wenn die Intensität in der Nähe der channel closings liegt. Damit ergeben sich reguläre Erhöhungen in der Anregungswahrscheinlichkeit jeweils quasi im Abstand der Photonenenergie. Im Tunnelbereich werden die Wellenpakete zwar auch periodisch bei den Maxima der Feldzyklen erzeugt, allerdings hauptsächlich im ansteigenden Teil des Laserpulses , sodass sie irregulär interferieren, was zu einem irregulären Verhalten in der Anregungswahrscheinlichkeit führt. Diese weniger ausgeprägten schnellen Änderungen werden im Experiment nicht aufgelöst und daher ein glattes Anregungsspektrum detektiert.

Eichmann

Abb. 1 (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1: Ausbeute an angeregten Atomen als Funktion der Laserintensität. Bei einer Laserintensität von 200 TW/cm2, in der Nähe des "channel closings" für 6 Photonen, zeigt sich eine starke resonante Erhöhung der Anregung um einen Faktor 100. Für die Argondaten ist die theoretische Vorhersage gezeigt (rote gestrichene Kurve), die in exzellenter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten ist.

Originalpublikation: Phys. Rev. Lett. 118, 013003 (2017) doi:10.1103/PhysRevLett.118.013003
"Unified Time and Frequency Picture of Ultrafast Atomic Excitation in Strong Laser Fields"
H. Zimmermann, S. Patchkovskii, M. Ivanov, and U. Eichmann

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Dr. S. Patchkovskii Tel. 030 6392 1241
Prof. Dr. U. Eichmann Tel. 030 6392 1371

 
     
 


Verstärkung relativistischer Elektronenpulse durch direkte Beschleunigung im Laserfeld

5. Januar 2017

Eine gezielte und direkte Beschleunigung von Elektronen in extrem starken Laserfeldern würde es ermöglichen, neuartige, ultra-kompakte Beschleuniger zu realisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, muss jedoch die intrinsische Bewegung von Elektronen im elektromagnetischen Wechselfeld eines Laserpulses gleichgerichtet und vom Feld entkoppelt werden. Diese grundlegende Herausforderung wird weltweit intensiv erforscht. In Experimenten am Max-Born-Institut ist es nun Forschern gelungen, ein Konzept der direkten Laserbeschleunigung zu realisieren und theoretisch im Detail nachzuvollziehen. Dieses Konzept eröffnet die Möglichkeit, relativistische und ultra-kurze Elektronenpulse auf extrem kleinen Beschleunigungsdistanzen unterhalb eines Millimeters zu erzeugen. Solche Elektronen und darauf basierende Röntgenquellen haben vielfältige Anwendungsgebiete in der Spektroskopie und Strukturanalyse, in medizinisch-biologischer Forschung und für die Nanotechnologie.

Wie Elektronen in sehr starken Laserfeldern zu relativistischen Energien beschleunigt werden können, berührt eine grundlegende Frage der Physik der Licht-Materie Wechselwirkung. Zwar wird ein freies, ruhendes Elektron von den elektrischen und magnetischen Feldern eines Laserpulses zu Oszillationen mit extrem hohen Geschwindigkeiten getrieben, aber mit dem Abklingen des Lichtfeldes kommt das Elektron wieder zu Ruhe und ein netto Energieübertrag durch die direkte Beschleunigung in einem Laserfeld findet nicht statt. Dieses grundlegende Prinzip, das gerne in Physikprüfungen diskutiert wird, ist jedoch an bestimmte Voraussetzungen der räumlichen Ausdehnung und Intensität des Laserpulses gebunden. Falls aber diese Voraussetzungen verletzt werden, z.B. durch Fokussierung des Lasers oder die Anwesenheit von starken elektrostatischen Feldern in einem Plasma, können Elektronen durch die Wechselwirkung mit einem Laserpuls tatsächlich beschleunigt werden.

Weltweit widmen sich viele Forschungsgruppen derzeit der Frage, mit welcher Geschwindigkeit Elektronen aus einem extrem starken Laserfeld extrahiert werden können und wie man mit ultra-kurzen Laserpulsen entsprechend kurze Elektronenpulse hoher Ladungsdichte erzeugen kann.

In einem Lichtfeld mit "relativistischer" Intensität (I> 1018 W/cm²), oszillieren die Elektronen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit und ihre kinetische Energie liegt im Bereich von Megaelektronenvolt (MeV) bis Gigaelelektronenvolt (GeV bei I> 1022 W/cm²). Diese starken Lichtfelder erreicht man durch die Fokussierung von sehr kurzen Laserpulsen mit hohen Pulsenergien auf Raumbereiche von einigen Mikrometern. Die dadurch entstehende räumliche Intensitätsverteilung ermöglicht bereits eine Beschleunigung von Elektronen zu hohen kinetischen Energien. Das Prinzip ist als "ponderomotive" Beschleunigung bekannt und stellt einen elementaren Prozess bei der Wechselwirkung von starken Lichtfeldern und Materie dar. Verschiedene theoretische Studien haben vorhergesagt, dass darüber hinaus die Anzahl und Energie der Elektronen durch eine zusätzliche direkte Beschleunigung im Laserfeld deutlich gesteigert werden kann, aber nur, wenn die Elektronen-Licht Wechselwirkung gezielt unterbrochen wird. Diese Überlegungen waren der Ausgangspunkt für die Experimente von Julia Braenzel und ihren Kollegen am Max-Born-Institut.

In den Experimenten am MBI wurden die Elektronen von dem Lichtpuls zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt mittels einer für das Laserlicht undurchlässigen Separator Folie entkoppelt. So konnte gezeigt werden, dass sich dadurch die Zahl an Elektronen mit hohen Geschwindigkeiten erhöhen lässt. Mit einem 70 TW Ti:Saphir Laser (2 J @ 35 fs) und 30 bis 100 nm dünnen Targetfolien aus PVF-Kunststoff konnten < 10 9 Elektronen mit kinetischen Energien im MeV - Bereich erzeugen werden, die durch die ponderomotive Kraft in die Ausbreitungsrichtung des Lasers emittiert wurden. Während der eigentlichen Wechselwirkung befindet sich die Folie in einem fast vollionisierten Zustand, das heißt, sie ist zu einem Plasma geworden.

Für hinreichend geringe Foliendicken unter 100nm kann ein Teil des Laserlichts dieses Plasma passieren und dadurch werden die hinter der Folie bereits emittierten Elektronen von dem transmittierten Lichtpuls überholt. Quasi intrinsisch synchronisiert werden die "langsamen" Elektronen in das transmittierte, immer noch relativistische Laserfeld (<8 x 1018W/cm2) injiziert. Wird nun eine zweite dünne Folie als Separator in einem geeigneten Abstand hinter der ersten Folie platziert, kann eine Verstärkung des Elektronsignals in einem ganz bestimmten Energiebereich festgestellt werden. Abbildung 1a zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf im Experiment und in Abbildung 1b wird die resultierende Elektronenverteilung verglichen, die man ohne und mit zusätzlicher Separator Folie erhält. Die Separator Folie ist undurchlässig für das transmittierte Laserlicht aber durchlässig für die schnellen Elektronen, daher lassen sich die Elektronen vom Lichtfeld entkoppeln. Der Zeitpunkt an welchem die Wechselwirkung der Elektronen mit dem transmittierten Laserpuls unterbrochen wird, ist durch den Abstand zwischen den Folien vorgegeben.

Die in der Gruppe von Matthias Schnürer durchgeführten Experimente zeigen, dass die Verstärkung des Elektronensignals bei einem ganz bestimmten Abstand maximal wird und für sehr große Abstände gänzlich verschwindet. Das theoretische Konzept, Elektronen durch eine rechtzeitige Entkopplung vom Laserpuls nach erfolgter Beschleunigung auf hohen kinetischen Energien zu belassen, wurde durch zahlreiche Messreihen und numerische Simulationen bestätigt. Die Experimente und das analytische Modell zeigen, dass langsame Elektronen mit kinetischen Energien unter 100keV durch die Anwesenheit der zweiten Folie auf etwa eine Größenordnung höhere Energie beschleunigt werden. Dieser Effekt führt zu einer Verdichtung der Elektronen in einem engen Energiebereich. Anders als bei der sogenannten "Kielwellenbeschleunigung", mit der bereits die Erzeugung von GeV-Elektronen mit einer lasergetriebenen Plasmawelle demonstriert wurde, kann die direkte Laserbeschleunigung zu sehr hohen Laserintensitäten und Plasmadichten skaliert werden. Neben grundlegenden physikalischen Einsichten ergeben sich daher auf der Basis dieses Konzeptes auch zukünftige Anwendungen im Bereich laserbasierter Quellen relativistischer Elektronen.

Steinmeyer

Abb. 1a (Klick für vergrößerte Ansicht)

Abb. 1a: Schematische Darstellung des realisierten Prinzips einer direkten Elektronenbeschleunigung im Laserfeld und deren Umsetzung im Experiment.
Steinmeyer Abb. 1b: In Laserpropagationsrichtung detektierte Elektronen von einem Einzel- (F1) und Doppelfolientarget (F1F2), bei der die zweite Folie als Separator wirkt. Die verwendeten Kunststofffolien haben eine Schichtdicke von F1=35nm und F2=85 nm. Ne gibt die integrierte Elektronenanzahl für den gesamten Detektionsbereich (0,2-7,5 MeV) bzgl. der Spektrometerapertur an.
Abb. 1b (Klick für vergrößerte Ansicht)  

Originalpublikation: Phys. Rev. Lett. 118, 014801 (2017) doi:10.1103/PhysRevLett.118.014801
"Amplification of Relativistic Electron Bunches by Acceleration in Laser Fields"
J. Braenzel, A.A. Andreev, F. Abicht, L. Ehrentraut, K. Platonov, and M. Schnürer

Kontakt

Julia Bränzel Tel. 030 6392 1338
Dr. Matthias Schnuerer Tel. 030 6392 1315

 
     
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