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Laserphysik: Rekordbeschleunigung für neutrale Teilchen

Ablenkung von angeregten HeliumatomenLaden...
Forscher aus Berlin haben neutrale Heliumatome in extrem starken elektromagnetischen Laserfeldern um ein Vielfaches stärker beschleunigt als bisher möglich. Ihre Ergebnisse könnten beispielsweise für Anwendungen in der Atomoptik von Bedeutung sein, etwa wenn es darum geht, Atome in sehr kurzer Zeit an einer bestimmten Stelle zu positionieren.

Ulli Eichmann vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie und sein Team haben einen Strahl von neutralen Heliumatomen senkrecht mit Femtosekunden-Laserpulsen sehr hoher Intensität beschossen. Ein solches Laserfeld versetzt die Elektronen in den Heliumatomen in heftige Schwingungen, erläutert Eichmann. Dabei gehen einige Elektronen in einen angeregten Zustand über. Das Atom bleibt nach wie vor neutral, doch die maximale Auslenkung der Schwingung, die das Elektron erfährt, ist in einem inhomogenen Laserfeld nicht mehr gleichmäßig, sondern wird in Richtung abnehmender Laserintensität schwächer.

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Ablenkung von angeregten Heliumatomen | Die angeregten Heliumatome wurden im rechten Winkel zu ihrer eigentlichen Flugbahn beschleunigt. Die Abbildung zeigt ihre Ablenkung im fokussierten Laserstrahl bei einer Laserintensität von rund 7 mal 10 hoch 15 Watt pro Quadtratzentimeter und 40 Femtosekunden Pulsdauer. Die Farben stehen für Häufigkeiten, mit denen die Atome auf den Detektor treffen. Über die horizontale Auslenkung konnten die Wissenschaftler die Beschleunigung berechnen. Ohne Ablenkung der Atome durch die ponderomotorische Kraft würde auf dem Detektor nur eine schmale Line von unten nach oben zu sehen sein. Sie entspricht dem eingestrahlten Laserfeld.
Dadurch wirkt auf das Elektron zusätzlich die so genannte ponderomotorische Kraft: Da das Elektron weiter an den Atomrumpf gebunden ist, zieht es den Rumpf hinter sich her und das gesamte Atom wird beschleunigt. Innerhalb dem millionsten Teil einer Milliardstel Sekunde erreichten die Teilchen so eine Geschwindigkeit von etwa einhundert Kilometern pro Stunde. Die Beschleunigung entspricht dem 10 hoch 14-fachen der Erdanziehungskraft.

Normalerweise ist neutrale Materie kaum durch elektrische Felder beeinflussbar, weil die auftretende Kraft proportional der elektrischen Ladung ist. Diese ist bei neutralen Teilchen gleich Null, weshalb sie vorzugsweise nur durch Gravitationskräfte wie zum Beispiel die Erdanziehung beschleunigt werden.

Es existieren bereits andere Mechanismen, um neutrale Atome mit Hilfe von Licht zu manipulieren. Dabei müssen Atome und Laser allerdings relativ lange miteinander wechselwirken. Die dabei auftretenden Beschleunigungskräfte sind vergleichsweise sanft.
44. KW 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 44. KW 2009

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