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Highlights und Aktuelles
frühere Highlights im Archiv
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:

 


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.

Kontakt

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.

Kontakt

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

Kontakt

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

Kontakt

Dr. A. Husakou Tel. 030 6392 1280

 
     
 


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.

WoeIsBn

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

Kontakt

Dr. Michael Wörner Tel. 030 6392 1470
Jannick Weisshaupt Tel. 030 6392 1471
Dr. Arnaud Rouzée Tel. 030 6392 1240
Prof. Dr. Marc Vrakking Tel. 030 6392 1200
Prof. Dr. Thomas Elsässer Tel. 030 6392 1400

 
     
 


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
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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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