Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.

Attosekunden Plasmalinse

Ein Forscherteam vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin und von DESY in Hamburg hat eine Plasmalinse entwickelt, die Attosekundenpulse fokussieren kann. Dieser Durchbruch erhöht die für Experimente verfügbare Attosekundenleistung erheblich und eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung ultraschneller Elektronendynamiken. Die Ergebnisse wurden nun in Nature Photonics veröffentlicht.

Attosekundenpulse – Lichtblitze, die nur Milliardstel von Milliardsteln einer Sekunde dauern – sind unverzichtbare Werkzeuge, um die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern zu beobachten und zu steuern. Das Fokussieren dieser Pulse, die im Bereich des extremen Ultravioletts (XUV) oder der Röntgenstrahlung liegen, erwies sich jedoch als äußerst schwierig, da geeignete optische Komponenten fehlten. Spiegel werden häufig eingesetzt, bieten aber nur eine geringe Reflexion und verschleißen schnell. Linsen sind zwar das naheliegende Werkzeug zum Fokussieren von sichtbarem Licht, eignen sich jedoch nicht für Attosekundenpulse, da sie starke Absorption und Dispersion aufweisen.

Die Forscher am MBI und DESY haben dieses Problem gelöst, indem sie eine Plasmalinse erzeugt haben. Dazu schicken sie starke elektrische Pulse durch Wasserstoffgas in einem winzigen Röhrchen (siehe Abb. 1). Dieser Prozess entfernt die Elektronen aus den Wasserstoffatomen und erzeugte ein Plasma. Die Elektronen bewegten sich dabei von selbst nach außen zu den Rändern des Röhrchens, wodurch das Plasma die Form einer konkaven Linse annimmt. Normalerweise würde eine solche Linse Licht zerstreuen, anstatt es zu bündeln. Da Plasma Licht jedoch anders bricht als gewöhnliche Materialien, werden die Attosekundenpulse stattdessen fokussiert.

[Translate to German:] Graphic: An attosecond pulse enters a capillary

Abb. 1: a, Ein Attosekundenpuls tritt in eine Kapillare ein, in der ein starkes elektrisches Feld ein Wasserstoffplasma erzeugt. Da sich die Elektronen zu den Kapillarrändern bewegen, entsteht eine konkave Linse, die den Attosekundenpuls fokussiert. b, Fokussierung der Attosekundenpulse durch das Plasma.

In ihrer jüngsten Veröffentlichung in Nature Photonics zeigten die Forscher, dass sich Attosekundenpulse über verschiedene XUV-Bereiche fokussieren lassen. Dabei ist die Brennweite abstimmbar, indem die Plasmadichte geändert wird. Außerdem erreichten sie eine hohe Transmission von über 80 %. Besonders wichtig ist, dass das Team herausfand, dass die Plasmalinse gleichzeitig als wirksamer Filter für die infraroten Treiberpulse dient, für die sonst dünne Metallfilter nötig sind. Dadurch werden diese Filter überflüssig, und es kann mehr Attosekundenleistung genutzt werden. Mit den stärkeren Pulsen stehen Wissenschaftlern nun neue Möglichkeiten für Experimente offen, die bisher oft durch schwache Lichtquellen eingeschränkt waren.

Um besser zu verstehen, wie sich die fokussierten Attosekundenpulse zeitlich verhalten, führten die Forscher Computersimulationen durch. Sie stellten fest, dass sich die Pulse nur leicht verlängerten, nämlich von 90 auf 96 Attosekunden. Unter realistischeren Bedingungen – wenn verschiedene Farben des Attosekundenpulses leicht zeitversetzt eintreffen (ein Phänomen, das als Chirp bekannt ist) – verkürzte die Plasmalinse die Pulse sogar: Die Dauer verringerte sich von 189 auf 165 Attosekunden.

Mit dem experimentellen Nachweis einer Plasmalinse für Attosekundenpulse haben die Forscher eine wesentliche Einschränkung der Attosekundenwissenschaft überwunden. Die Methode ermöglicht einfache Justierung, hohe Transmission und die Fähigkeit, Licht über verschiedene Farben hinweg zu fokussieren. Diese Vorteile eröffnen ein breites Spektrum an Anwendungen – von der Abbildung der Elektronendynamik in komplexen Materialien bis hin zur Weiterentwicklung der Quantentechnologien und der nächsten Generation der ultraschnellen Mikroskopie.

Originalpublikation

Plasma lens for focusing attosecond pulses

E. Svirplys, H. Jones, G. Loisch, J. Thomas, M Huck, O. Kornilov, J.M. Garland, J.C. Wood, M.J.J. Vrakking, J. Osterhoff and B. Schütte

 Nature Photonics (2025)

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