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Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching

Multimedia

Laser - wie kurz ist eine Attosekunde?

Eine Attosekunde ist ein Millardstel einer Millardstel Sekunde. Kaum vorstellbar? Diese Animation erklärt es anschaulich.

Atomen den Puls gefühlt

Atomen den Puls gefühlt

0,000 000 000 000 000 001 Sekunden: So unvorstellbar kurz ist eine Attosekunde. Wenn ein Lichtpuls die Vorgänge im Inneren eines Atoms abbilden soll, dann darf er nur wenige 100 oder sogar nur wenige 10 Attosekunden lang aufblitzen. In diese Welt extrem kurzer Zeiten dringen jetzt Laserphysiker mit einer raffinierten Experimentiertechnik vor. Zu den führenden Attosekunden-Spezialisten gehören die Forscher um Ferenc Krausz, George Tsakiris und Klaus Witte vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching.
Am Garchinger Max-Planck-Institut für Quantenoptik dringen Physiker in das zeitliche „Nichts“ ein: Mit dem Laser – hier der Blick auf eine Verstärkerstufe – erzeugen sie Attosekunden-Lichtpulse. Bild vergrößern
Am Garchinger Max-Planck-Institut für Quantenoptik dringen Physiker in das zeitliche „Nichts“ ein: Mit dem Laser – hier der Blick auf eine Verstärkerstufe – erzeugen sie Attosekunden-Lichtpulse. [weniger]

TEXT ROLAND WENGENMAYR

Eine Attosekunde ist der millionste Teil eines millionsten Teils einer millionstel Sekunde. Wie kann man sich eine so unfassbar kurze Zeit vorstellen? „Da muss ich erst mal überlegen“, antwortet Klaus Witte, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Allmählich entstehen in der Gesprächsrunde mit drei hochkarätigen Laserphysikern Bilder, die eine Ahnung von dieser so fremden Welt ultrakurzer Phänomene vermitteln. Mit am Tisch sitzen Direktor Ferenc Krausz, der gerade mit seiner Arbeitsgruppe von der Technischen Universität Wien nach Garching umzieht, und George Tsakiris. Er gehört zu Klaus Wittes Attosekunden-Forschern und initiierte eine fruchtbare Zusammenarbeit mit Laserphysikern der Universität Kreta und des FORTH-Instituts in Heraklion. FORTH steht für Foundation for Research and Technology Hellas und ist das griechische Pendant der Max-Planck-Gesellschaft.

„Ein Lidschlag dauert ein paar Millisekunden (tausendstel Sekunden) und ein Blitz mehrere Mikrosekunden (millionstel Sekunden)“, sagt Klaus Witte. Und dann ist da noch die Femtosekunde, zu der die Laserforscher in den 1990er-Jahren vorstießen. Eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde, zu einer Minute verhält sie sich wie diese zum gesamten Alter des Universums von 14 Milliarden Jahren. Wäre unsere Wahrnehmung so schnell, dann würden wir das elektromagnetische Feld des Lichts schwingen sehen wie das Pendel einer Kuckucksuhr. Wenn man aus einer Femtosekunde nochmals ein Tausendstel herausschneidet, dann erhält man die gesuchte Attosekunde. „Man weiß, dass Licht innerhalb von einer Sekunde unseren Globus zehnmal umrunden kann“, sagt Krausz. Und: „In einer Attosekunde kommt das Licht dagegen weniger als ein millionstel Millimeter weit – es wird regelrecht eingefroren.“ In einem solch kurzen Moment schafft es das Licht gerade noch von einem Ende eines kleineren Moleküls zum anderen.

Licht scheint einzufrieren

Im Labor kommen ultrakurze Pulse aus Röntgenlicht in Fahrt: Die Pulse entstehen im Kasten vorne rechts und rasen durch das Vakuumrohr in der Bildmitte zur Messkammer links im Hintergrund. Bild vergrößern
Im Labor kommen ultrakurze Pulse aus Röntgenlicht in Fahrt: Die Pulse entstehen im Kasten vorne rechts und rasen durch das Vakuumrohr in der Bildmitte zur Messkammer links im Hintergrund. [weniger]

Warum jagen die Laserphysiker diesem „Nichts“ überhaupt nach? Ist es pure Rekordlust? Nein, natürlich gibt es ein ernstes Motiv: Die ultrakurzen Laserpulse erlauben den Forschern einen direkten Einblick in das Verhalten der atomaren Grundbausteine unserer materiellen Welt. Damit stehen die Attosekunden-Jäger in einer Tradition der Moderne, die mit jeweils neuesten technischen Mitteln unsere Vorstellung von Zeit und Bewegung verändert hat. Witte verweist auf Eadweard Muybridge, der um die Wende zum 20. Jahrhundert die Bewegung von Menschen und Tieren erstmals in Fotoserien von hundertstel Sekunden Abstand zerlegen konnte.

Für Laserforscher war es ein ähnlich spektakulärer Schritt, als ihnen nach 1990 endlich routinemäßige Blitzaufnahmen im Femtosekundenbereich gelangen. So konnten sie erstmals die Bewegungen der Atome und Moleküle während schneller chemischer Reaktionen „fotografieren“. Leider ist die Femtosekunden- Spektroskopie noch viel zu langsam, um Elektronen zu erhaschen – aber die Elektronen bauen die chemischen Bindungen zwischen Atomen auf. Also entgingen den Forschern noch wichtige Informationen, die ihnen erst eine Attosekunden-Technik über das „Blitzen“ von Elektronen zu gänglich machen würde. Sie würde auch erstmals Aufnahmen vom Inneren einer atomaren Elektronenhülle ermöglichen und so direkt zeigen, ob die heutige Vorstellung von Atomen richtig ist.

Doch wie produziert man so kurze Laserpulse? „Der Trick ist immer derselbe“, erklärt Witte, „man überlagert Lichtwellenzüge sehr unterschiedlicher Frequenzen“. Das setzt voraus, dass man Laserlicht mit sehr reinen Farben – also präzisen Wellenlängen oder Frequenzen – erzeugen kann. Verschiedenfarbige Laserlicht-Wellenzüge lassen sich dann geschickt zu einem einzigen, kurzen Femtosekundenpuls zusammenbauen. Das Verfahren erinnert an die gefürchteten Monsterwellen, die im Meer scheinbar aus dem Nichts auftauchen. Diese entstehen allerdings rein zufällig: Sehr selten laufen die vielen kurz- und langwelligen Dünungen des Wassers gerade so übereinander, dass nur Wellenberge aufeinander treffen und sich zu einem riesigen W asserberg auftürmen.

 
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