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News: Starke Laser machen "Quantenbahnen" sichtbar

Mit neuen Laser-Experimenten haben vier Wissenschaftlergruppen aus Deutschland und Frankreich detailliert die Prozesse beschrieben, die bei der Ablösung eines Elektrons aus dem atomaren Verbund sowie bei verwandten Phänomenen auftreten. Die Methode beruht auf einer von Richard Feynman eingeführten Version der Quantenmechanik auf der Basis der Pfadintegrale, die sich in einigen Fällen besser anwenden lässt als die herkömmlichen Verfahren der Quantenphysik, wie sie zum Beispiel von Heisenberg, Schrödinger oder Dirac vorgeschlagen worden sind. Die Garchinger Gruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat dabei in erster Linie die Photoionisation untersucht.
Die moderne Lasertechnik erlaubt es heute, die Wechselwirkung von Atomen mit Strahlung unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Es ist zurzeit möglich, kurze Impulse im Bereich bis herunter zu fünf Femtosekunden (ein Femtosekunde = eine Billiardstel Sekunde) zu erzeugen. Diese Zeitdauer ist kurz gegenüber vielen Vorgängen im atomaren Bereich. Außerdem kann die erzeugte Stärke des Laserfelds so gesteigert werden, dass sie die Felder im Inneren von Atomen übertrifft. Damit werden einerseits ultraschnelle, atomare und molekulare Prozesse einer Beobachtung zugänglich, andererseits können die Atome unter Bedingungen studiert werden, wie sie sonst nur in extremen Fällen – zum Beispiel in Sternatmosphären – vorkommen.

Die neuen Experimentiermöglichkeiten haben bei der Darstellung der atomaren Vorgänge Defizite aufgedeckt, die nunmehr durch den Einsatz einer alternativen Beschreibung der Quantenvorgänge überwunden werden konnten. So weist die vom Garchinger Max-Planck-Institut für Quantenoptik untersuchte Photoionisation einige Besonderheiten auf. Beispielsweise nehmen die Elektronen mehr Energie auf, als sie für den eigentlichen Ablösungsprozess benötigen. Wegen der Quantisierung der Strahlungsenergie tritt als Folge eine Quantisierung der kinetischen Energie der abgelösten Elektronen auf; die Energiespektren der Elektronen zeigen eine diskrete Struktur. Diese Prozesse, die mit der Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung bei der Ablösung des Elektrons zusammenhängen, nennt man Ionisation mit Energien oberhalb der Ionisationsgrenze.

Ein weiteres Phänomen ist die Erzeugung hoher "Harmonischer", das heißt: Durch das Atom werden Vielfache der eingestrahlten Lichtfrequenz erzeugt. Ursache für diesen Effekt ist das Ablösen und nachfolgende Wiedereinfangen des Elektrons, wobei Vielfache der Frequenz der eingestrahlten Welle ausgesandt werden. Diese Erzeugung von "Harmonischen" ist ein viel versprechender Ansatz, kohärente Strahlung im Vakuum-UV-Bereich und sogar im weichen Röntgenbereich zu erzeugen. Die Methode hat deshalb ein hohes Potenzial für Anwendungen, unter anderem bei Strukturuntersuchungen oder beim Studium biologischer Systeme mit Röntgenstrahlen.

Unter der Einwirkung von sehr intensiver Laserstrahlung kommt es außerdem zur gleichzeitigen Ablösung mehrerer Elektronen. Auch die Dynamik dieser Vorgänge kann jetzt experimentell untersucht werden. Aufgrund sich widersprechender theoretischer Modelle ist dieser Effekt für die Grundlagenforscher besonders interessant.

Die Wissenschaftler studieren die unterschiedlichen Phänomene mit zwei verschiedenen Methoden:

1. In einem Laufzeitexperiment werden die Energien der Elektronen untersucht, wobei sich die emittierten Elektronen durch eine "Driftstrecke" bewegen. Bei der Ablösung des Elektrons aus dem Atomverband beobachten die Forscher aufgrund der Wechselwirkung mit dem Laserlicht eine Serie von Maxima, deren Amplitude sehr schnell mit zunehmender Ordnung abnimmt und dann bei hohen Ordnungen konstant bleibt, also ein plateauartiges Verhalten zeigt.

2. Ein Spektroskopie-Experiment dient dazu, die Erzeugung der "Harmonischen" zu studieren. Bei der nichtsequentiellen Doppel-Ionisation wird die Anzahl einfach und mehrfach geladener Ionen als Funktion der Laserintensität gemessen. Dabei stellt sich heraus, dass bei vergleichsweise niedrigen Intensitäten eine sehr viel größere Zahl geladener Ionen entsteht als nach den herkömmlichen Modellen zu erwarten ist.

Im Labor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik können die Wissenschaftler erstmals alle drei Phänomene praktisch gleichzeitig mit ein- und demselben Lasersystem untersuchen. Für die Untersuchung der Verwandtschaft dieser Effekte ist das von besonderer Bedeutung, da die Charakterisierung von Femtosekundenlaserpulsen und damit die Vergleichbarkeit verschiedener Lasersysteme ein großes Problem bei verschiedenen Experimenten darstellt. Eine weitere Besonderheit des Experiments ist die außerordentlich hohe Sensitivität. Sie wird einerseits durch eine extrem hohe Laserpuls-Repetitionsrate (100 kHz) und andererseits durch sehr empfindliche Detektoren erreicht. Ein Beispiel dafür ist das Spektrometer für den weichen Röntgenbereich.

Die Atome werden unter besonders extremen Bedingungen untersucht, weil eine theoretische Beschreibung der Phänomene nicht ganz einfach ist – die üblichen Berechnungsmethoden greifen hier nicht. Großen Erfolg hatte die Beschreibung der Ionisation in einem klassischen Modell, bei dem die Bahnen der Elektronen unter der Einwirkung des Laserfelds berechnet werden. Besonders interessant sind dabei vor allem die Bahnen der Elektronen, die während des Ionisationsprozesses zum Ionenrumpf zurückkehren. Je nachdem, ob das Elektron mit dem Atom rekombiniert, streut oder durch Stoß mit einem anderen Elektron des Atoms weiter ionisiert, ergeben sich die drei erwähnten Phänomene: also die Erzeugung energiereicher Photonen und Elektronen sowie mehrfach geladener Ionen. Diese einfache und einheitliche Erklärung höchst kompliziert erscheinender Effekte hat dem klassischen Modell schnell zum Durchbruch verholfen, umso mehr, da es sogar korrekte quantitative Vorhersagen liefert. Die Anwendung klassischer Konzepte hat bei den hohen Feldstärken teilweise den Vorteil, da unter diesen Bedingungen Quanteneffekte in den Hintergrund treten können.

Trotzdem blieben die konzeptionellen Schwächen dieser Theorie – man befand sich in einer Situation, die an die Frühzeit der Quantenmechanik und das Bohrsche Atommodell erinnerte. Inzwischen zeigten mehrere Experimente die Grenzen des klassischen Modells dadurch auf, dass Interferenzstrukturen in Photoelektronenspektren nachgewiesen wurden.

Damit rückte eine quantenmechanische Behandlung des Problems von Atomen in starken Laserfeldern wieder in den Brennpunkt. Ausgehend vom unbestreitbaren Erfolg der klassischen Methoden lag die Verwendung derjenigen Formulierung der Quantenmechanik nahe, die sich an die der klassische Physik am engsten anlehnt: das Feynmansche Pfadintegral. Es berücksichtigt alle denkbaren Trajektorien und verallgemeinert das Konzept der Trajektorie dahingehend, dass diese entsprechend der mit ihnen verbundenen Wirkung eine Phase erhält und komplexe Werte annehmen kann. Ersteres stellt die Interferenzfähigkeit sicher, letzteres lässt auch die Beschreibung der für die Quantenmechanik charakteristischen Tunnelphänomene zu. Die Elektronenbahnen der klassischen Theorie finden wir folgerichtig näherungsweise als die Realteile derjenigen Quantentrajektorien wieder, für die jene oben erwähnte Phase stationär wird.

Besonders eindrucksvoll kann die Signifikanz dieser Methode in den Fällen demonstriert werden, in denen nur wenige Trajektorien zu einer bestimmten Übergangsamplitude – das heißt, beispielsweise zu bestimmten Elektronen in einem ATI-Spektrum – beitragen. Dies gelang durch die Verwendung elliptischer Polarisation und Auswahl einer Elektronen-Emissionsrichtung, die von der Hauptachse der Polarisationsellipse um 30° abwich. Das sich ergebende Spektrum hat eine stufenartige Form. Die Rechnung zeigt, dass jede dieser Stufen einem einzigen Paar Elektronentrajektorien zugeordnet werden kann. Interferenzeffekte kann man immer dann beobachten, wenn mindestens zwei für den Beobachter nicht unterscheidbare Pfade zum selben Endzustand führen. Hier trifft das auf die beiden Trajektorien der gezeigten Paare zu.

Die Feynmansche Pfadintegral-Formulierung der Quantenmechanik ist über 50 Jahre alt; sie ist äquivalent zur Schrödingergleichung. Anwendung hat sie bisher fast ausschließlich in komplizierten Quantenfeldtheorien zur Herleitung exakter Gleichungen gefunden. Nunmehr zeigt sich, dass sie auch für Atome in intensiven Laserfeldern eingesetzt werden kann.

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  • Quellen
Max-Planck-Gesellschaft
Science 292(5518): 902–905 (2001)

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