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News: Kurze Blitze machen die Welle

Licht ist eine elektromagnetische Welle, was sich unter anderem in Phänomenen wie Interferenz oder Beugung äußert. Wissenschaftler vermuteten bereits, dass sich bei ultrakurzen Lichtblitzen auch weitere Effekte der Wellennatur zeigen. Und genau das konnten nun Forscher in Deutschland und Italien nachweisen.
Wenn es darum geht, schnellste atomare und molekulare Prozesse in Zeitlupe zu betrachten, dann ist die Femtosekunden-Lasertechnik erste Wahl. Denn je kürzer die Laserpulse sind, desto schnellere Vorgänge lassen sich scharf abbilden – ganz so, wie ein Fotograf schnell bewegte Objekte mit einer kurzen Verschlusszeit seiner Kamera ablichtet. Derzeitiger Stand der Technik sind Laserblitze, die nur für etwa fünf Femtosekunden leuchten.

Bei derart kurzen Signalen gewinnt ein Parameter an Bedeutung, den Wissenschaftler die "absolute Phase" eines Pulses nennen. Die Phase ist neben der Amplitude und der Wellenlänge eine der charakteristischen Größen einer Welle. Sie beschreibt, ob ein Wellenzug mit einem Wellenberg, einem Tal oder einem Knoten beginnt. Die absolute Phase gibt nun an, wie sich die Phase der Trägerwelle zum Maximum der Einhüllenden verhält. Denn anders als bei kontinuierlichem Licht, wird die Amplitude eines kurzen Lichtpulses größer, um dann wieder abzufallen.

Ist nun die absolute Phase null, dann fallen Wellenberg der Trägerwelle und Maximum der Einhüllenden zusammen. Bei einer Phase von eins wäre das elektrische Feld im Maximum genau anders herum orientiert. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching ist es jetzt in Kooperation mit Kollegen der Politecnico di Milano erstmals gelungen, die Auswirkungen dieser absoluten Phase zu beobachten.

Die Forscher haben dazu die Photoionisation eines Kryptonatoms mit ultrakurzen Laserpulsen untersucht. Dabei versetzt das oszillierende Feld eines Lasers die Elektronen in einem Atom in Schwingungen, bis eines so viel Energie gewinnt, dass es den atomaren Verband verlässt. Bei langen Laserpulsen werden die Elektronen so oft hin und her geschüttelt, dass es gleichgültig ist, ob sie zuerst nach links und dann nach rechts ausgelenkt werden oder umgekehrt. Bei sehr kurzen Pulsen spielt es dagegen sehr wohl eine Rolle, ob der erste Stoß von rechts oder von links kommt.

In ihrem Experiment haben die Forscher mit Wellenlängen am oberen Rand des sichtbaren Spektrums bei etwa 800 Nanometer Wellenlänge gearbeitet. Bei einer Pulsdauer von fünf Femtosekunden bedeutet dies, dass die Lichtwelle weniger als zwei volle Schwingungszyklen durchläuft. Die absolute Phase ändert sich dabei von Laserpuls zu Laserpuls in zufälliger Weise. Deshalb haben die Wissenschaftler ein so genanntes Stereo-Photoionisationsexperiment durchgeführt.

Hierzu stellten sie zwei Elektronendetektoren einander gegenüber auf, sodass sich bei jedem Laserpuls die Anzahl der nach links oder rechts emittierten Photoelektronen detektieren ließ. Liegt nun die absolute Phase eines Laserpulses gerade so, dass das Maximum der Feldstärke nach rechts zeigt, so sollte auch der rechte Detektor mehr Elektronen als der linke zählen – und umgekehrt.

Genau diese so genannte Antikorrelation der Elektronen konnten die Forscher nachweisen, was gleichzeitig auch einen deutlichen Hinweis auf die absolute Phase der Laserpulse gibt. Mit dieser Erkenntnis könnte man in Zukunft nun gezielt Proben manipulieren, etwa mehrere chemische Reaktionen in gleicher Weise steuern. Dafür wäre es erforderlich, die absolute Phase der Laserpulse zu stabilisieren beziehungsweise in gewünschter Weise einzustellen – die nächste große Herausforderung für die Laserphysiker.

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