Erzeugung von Terahertz-Strahlung durch ionisierende Zwei-Farben Femtosekunden Impulse in Gasen

23. Januar 2012

Wissenschaftler des Max Born Instituts haben in Zusammenarbeit mit auswärtigen Kooperationspartnern den Grundmechanismus bei der Erzeugung von Terahertz- Strahlung in Gasen theoretisch aufgeklärt, einen experimentellen Nachweis für diesen erbracht sowie Möglichkeiten zur Kontrolle der THz Spektralparameter aufgezeigt. Als Terahertz-Strahlung (1Terahertz =1THz = 10¹²Hz =10¹² Schwingungen pro Sekunde) bezeichnet man Licht mit einer extrem großen Wellenlänge von ungefähr 0.3 mm. Eine Frequenz von 1 THz ist ungefähr 50mal größer als die Frequenz, bei der Handys arbeiten. Terahertz-Strahlung findet heute breite Anwendung in der Technik, etwa bei der drahtlosen Datenübertragung oder der Analyse von Materialien. Auch der sog. 'Nacktscanner' an Flughäfen benutzt THz-Strahlung zum Durchleuchten von Gegenständen. In der Forschung werden THz-Impulse extrem kurzer Dauer verwendet, um grundlegende Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten zu untersuchen, z.B. den Ladungstransport und den elektrischen Widerstand.
Diese Untersuchungen erfordern die Erzeugung kurzer THz-Blitze, wofür man die Ionisation von Gasen durch ultrakurze Laserimpulse ausnutzen kann. Unter den verschiedenen Quellen zeichnet sich die THz Erzeugung mittels Zwei-Farben Femtosekunden Impulse in einem Gas durch hohe Feldstärken (bis in den MV/cm-Bereich) und große Spektralbreiten (bis oberhalb von 100 THz) aus. Obwohl bereits im Jahre 2000 entdeckt und inzwischen in vielen Arbeiten untersucht und angewandt, wird der Grundmechanismus ihrer Entstehung in der Literatur immer noch kontrovers diskutiert. Anfangs durch Gleichrichtung (rectification) infolge der Nichtlinearität dritter Ordnung in Gasen interpretiert, wurde später die THz Erzeugung mit der Entstehung eines Plasma Stroms im Zwei-Farben Laserfeld in Verbindung gebracht. Unsere theoretische Untersuchung [1] und die damit im Zusammenhang stehenden Experimente am MBI [2] zeigten, dass die THz- Ausstrahlung untrennbar mit dem stufenförmigen Anwachsen der Plasmadichte bei der Tunnelionisation nahe den Maxima der Feldstärkeamplitude der Pumpimpulse verursacht wird, wodurch ionisierte Elektronen in einer zeitlichen Folge diskreter Ionisationsereignisse im Attosekunden Bereich entstehen, die zur Ausstrahlung von THz Impulsen führt. Ihr Spektrum wird deshalb durch die Interferenz der Beiträge verschiedener Ionisationsereignisse bestimmt, wodurch sich eine bemerkenswerte Analogie mit der Beugungstheorie von Licht an einem Gitter ergibt.
Umfassende (3+1)-dimensionale numerische Computersimulationen bestätigten dieses Modell, das nicht nur eine Erklärung einer Reihe von experimentellen Beobachtungen, sondern gleichzeitig neue Möglichkeiten für die Steuerung der THz Parameter und die Formung gewünschter THz Spektren durch die zeitliche Kontrolle der Ionisationsereignisse (z. B. durch eine Frequenzverstimmung der beiden Zwei-Farben Pumpimpulse) ermöglicht [1]. Die Realisierung von Experimenten am MBI [2] ermöglichte dieses neue Verständnis der THz Ausstrahlung durch experimentelle Beobachtungen zu testen. Die Messungen der THz Spektren zeigten in Übereinstimmung mit (3+1)-dimensionalen Simulationen eine empfindliche Abhängigkeit vom Gasdruck, wodurch sich wichtige Einsichten in den Grundmechanismus der THz Ausstrahlung und dem Einfluss von Ausbreitungseffekten der Pumpwellen ergaben. Dabei spielt eine Plasma-induzierte Blauverschiebung der Pumpimpulse eine Schlüsselrolle bei der Verbreiterung der THz Spektren mit anwachsendem Gasdruck. Dies liefert andererseits eine experimentelle Bestätigung für den oben beschriebenen Mechanismus, wobei die THz Ausstrahlung direkt mit der stufenförmigen Modulation des Ionisationsstroms zusammenhängt.

Abb.: Mechanismus der THz Emission. Das zwei-Farben Laserfeld E(t) (rot) erzeugt freie Elektronen durch Tunnelionisation mit einer stufenförmigen Dichtemodulation (grün) nahe den Maxima der Feldamplitude. Dies führt zur Entstehung eines Stromes (blau punktiert), der als Quelle für die THz Emission wirkt. In der Einfügung wird die experimentelle Anordnung gezeigt.

Veröffentlichungen:
[1] I. Babushkin, S. Skupin, A. Husakou, C. Köhler, E. Cabrera-Grenado, L. Berge and J. Herrmann, “Tailoring terahertz radiation by controlling tunnel ionisation events in gases“, New Journal of Physics 13, 123029 (2011)

[2] I. Babushkin, W. Kuehn, C. Köhler, S. Skupin, L. Berge, K. Reiman, M. Woerner, J. Herrmann and T. Elsaesser, „Ultrafast spatiotemporal dynamics of terahertz radiation by ionising two-color femtosecond pulses in gases“, Phys. Rev. Lett. 105, 053903 (2010)

Weitere Informationen:

Dr. J. Herrmann, Tel. 030 63921278

Prof. Mikhael Yu. Ivanov nimmt seine Arbeit als Abteilungsleiter A1 des MBI und als W3-S Professor für Theoretische Optik am Institut für Physik der Humboldt-Universität auf

06. Januar 2012

Wir freuen uns bekanntzugeben, dass Prof. Mikhael (Misha) Yu. Ivanov zu Beginn dieses Jahres seine Tätigkeit als Leiter der Abteilung A1 des Max-Born-Instituts (MBI) und als W3-S-Professor für Theoretische Optik am Institut für Physik der Humboldt-Universität aufgenommen hat. Am MBI ist er Nachfolger von Prof. Martin Weinelt, der im letzten Jahr an die Freie Universität Berlin berufen wurde.

Misha Ivanov (1964) gilt weltweit als einer der führenden Theoretiker auf dem sich neu entwickelnden Gebiet der Ultrakurzzeitphysik bei hohen Laserintensitäten, auf dem neue Methoden zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung bis hin zur extrem kurzen Attosekunden-Zeitskala entwickelt werden. Er hat entscheidende Beiträge zur Entwicklung der Attosekundenphysik geleistet und ist – neben anderen Aktivitäten – Koautor von Schlüsselarbeiten zur Erzeugung von Attosekundenimpulsen, zur Kontrolle der Attosekunden-Elektronendynamik bei der Ionisation in starken Feldern und zur Beobachtung der Elektronendynamik in Molekülen auf der Attosekunden-Zeitskala. 

Misha Ivanov schloss sein Studium in Jahr 1987 an der „Moscow State“ Universität ab und promovierte 1989 am General Physics Institute in Moskau, wo er danach als Postdoc und angestellter Wissenschaftler arbeitete. Von 1992 bis 2008 arbeitete er am National Research Council (NRC) in Ottawa, Kanada, wo er als Leiter der Theoriegruppe dynamisches Forschungsprogramm etablierte. Im Jahr 2008 schied er beim NRC aus und akzeptierte er einen Lehrstuhl am Imperial College in London.

Misha Ivanov wurde für seine Forschung vielfach ausgezeichnet, unter anderem mit der Rutherford-Medaille der Royal Society of Canada (2003) und dem Friedrich Wilhelm Bessel Preis der Alexander von Humboldt Stiftung (2004). Seit 2010 koordiniert er das Marie Curie Initial Training Network „CORINF“ (“Correlated Multielectron Dynamics in Intense Light Fields”).

Das MBI ist stolz darauf, mit Misha Ivanov einen herausragenden Wissenschaftler für die Leitung der neuen Theorieabteilung A1 gewonnen zu haben und freut sich gemeinsam mit der Humboldt-Universität auf eine enge Zusammenarbeit bei der weiteren Entwicklung der Attosekundenphysik und seiner zahlreichen anderen Forschungsinteressen.

Wie schnell entsteht der elektrische Widerstand?

16. Dezember 2011

Forscher am Max-Born-Institut in Berlin beobachteten die extrem schnelle Entwicklung des elektrischen Widerstandes in einem Halbleiter, indem sie die Bewegung der Elektronen in Echtzeit verfolgten.

Als Sie das erste Mal von elektrischem Strom hörten, haben Sie sich vielleicht gefragt, wie sich die Elektronen in einem Festkörper vom negativen zum positiven Anschluss bewegen. Es ist im Prinzip möglich, dass die Elektronen durch den Festkörper "fliegen", ohne dass sie durch die Atome oder andere Ladungen im Material beeinflusst werden. Unter normalen Bedingungen geschieht dies nicht, da die Elektronen mit den schwingenden Atomkernen oder mit Störstellen zusammenstoßen. Typisch passieren solche Stöße nach einer extrem kurzen Zeit, ca. 100 Femtosekunden (10^-13 Sekunden, ein Zehntel einer billionstel Sekunde). Damit ist die Elektronenbewegung im Material wie eine Bewegung durch eine dichte Menschenmenge, nicht wie ein Lauf eine leere Strasse entlang. Deshalb ist eine typische Elektronengeschwindigkeit nur 1 m/h (nicht km/h!), langsamer als eine Schnecke.

Obwohl die Elektronen im Material sehr häufig anstoßen, benötigen solche Stöße eine endliche Zeit. Wenn man sich durch eine Menschenmenge drängelt, gibt es dort manchmal kleine leere Bereiche, in denen man schneller gehen kann. Wenn man die Elektronen bei ihrer Bewegung auf einer sehr schnellen (Femtosekunden) Zeitskala beobachtet, würde man erwarten, dass die Elektronen nach dem Einschalten der Batterie für sehr kurze Zeit ungestört durch das Material fliegen, bevor sie an irgendwas anstoßen. Das ist genau, was Forscher am Max-Born-Institut in Berlin kürzlich getan haben und worüber sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters [Band 107, 256602 (2011)] berichten. Extrem kurze Pulse von Terahertz Licht (1 Terahertz = 10¹² Hz, 1 Billion Schwingungen pro Sekunde) wurden anstelle einer Batterie benutzt (Licht hat wie eine Batterie ein elektrisches Feld), um optisch erzeugte freie Elektronen in einem Stück Galliumarsenid zu beschleunigen. Die so beschleunigten Elektronen erzeugen ihrerseits ein weiteres elektrisches Feld. Wenn man dieses Feld mit Femtosekunden-Zeitauflösung misst, kann man daraus genau erkennen, was die Elektronen tun. Die Forscher sahen, dass die Elektronen direkt nach dem Einschalten des elektrischen Feldes ungestört beschleunigt wurden, wohingegen sich der Einfluss der Stöße erst nach etwa 300 Femtosekunden bemerkbar machte.
In dem beigefügten Film zeigen wir, was in dem Galliumarsenidkristall passiert. Elektronen (blaue Kugeln) und Löcher (rote Kugeln) zeigen zufällige Wärmebewegungen, bevor der Terahertz-Puls die Probe trifft. Das elektrische Feld (grüner Pfeil) beschleunigt Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Im Entstehen des elektrischen Widerstands wird diese Bewegung abgebremst. Dies führt zu einem aufgeheizten Elektron-Loch-Gas, das heißt zu einer schnelleren Wärmebewegung.

Diese Experimente ermöglichten es den Forschern festzustellen, welche Art Stöße hauptsächlich für den elektrischen Widerstand verantwortlich ist. Interessanterweise fanden sie heraus, dass die wichtigsten Stoßpartner nicht atomare Schwingungen sind, sondern positiv geladene Teilchen, sogenannte Löcher. Ein Loch oder Defektelektron ist ein leerer Elektronenzustand im Valenzband des Halbleiters; es hat eine positive Ladung und eine etwa 6-mal so große Masse wie das Elektron. Die optische Anregung eines Halbleiters erzeugt gleichzeitig freie Elektronen und Löcher. Diese werden durch den Terahertz Puls, unsere Batterie, in entgegengesetzte Richtungen bewegt. Da die Löcher verglichen mit den Elektronen eine viel größere Masse haben, bewegen sie sich nur langsam, aber sie stehen den Elektronen im Weg, wodurch diese abgebremst werden.

Das so gewonnene Verständnis der Prozesse, die zu einer Abbremsung von Elektronen führen, kann zukünftig zu effizienterer und schnellerer Elektronik führen und vielleicht zu neuen Tricks, den elektrischen Widerstand zu verringern.

Den Podcast (Folge 101, Mediathek www.weltderphysik.de) zu diesem Thema können Sie hier herunterladen.

Weitere Informationen:

Dr. Michael Wörner, Tel.: 030 6392 1470

Prof. Dr. Klaus Reimann, Tel. 030 6392 1476

Prof. Dr. Thomas Elsässer, Tel. 030 6392 1400

Carl-Ramsauer-Preis 2011 geht zweimal ans Max-Born-Institut

14. November 2011

Dr. Christian Eickhoff (auf dem Foto der 3. v. l.) und Dr. Wilhelm Kühn (auf dem Foto der 2. v. l.) sind zwei der diesjährigen Preisträger des Carl-Ramsauer-Preises der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin (PGzB). Christian Eickhoff wird für seine Dissertation an der Freien Universität Berlin ausgezeichnet, Wilhelm Kühn promovierte an der Humboldt-Universität zu Berlin; die Arbeiten dazu führten die beiden Forscheram Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) durch. Der Preis wird am 16. November2011 an der Freien Universität, Fachbereich Physik, verliehen.

Dr. Christian Eickhoff erhält den Preis für seine Dissertation mit dem Titel „Zeitaufgelöste Zweiphotonen-Photoemission an der Si(001)-Oberfläche: Dynamik heißer Elektronen und zweidimensionaler Fano-Effekt“. Er untersuchte die Si(100)-Oberfläche. Silizium ist der Grundbaustein der Halbleiterindustrie. Die voranschreitende Miniaturisierung und Effizienzsteigerung fordern ein grundlegendes Verständnis der elektronischen und dynamischen Eigenschaften der Ladungsträger an der Siliziumoberfläche.

Eickhoff konstruierte ein komplexes Experiment, bestehend aus einem Lasersystem mit weit abstimmbaren Photonenenergien und einer Ultrahochvakuumanlage mit zweidimensionaler (2D) Photoelektronendetektion. Mit einer Zeitauflösung von wenigen zehn Femtosekunden (1 fs = 10¹⁵ sec) verfolgte er die Dynamik optisch angeregter Elektronen in den Oberflächenzuständen sowie im Leitungsband von Silizium und untersuchte den Einfluss elastischer und inelastischer Streuprozesse auf Energierelaxation und Oberflächenrekombination.

Dabei konnte er erklären, wie es durch die optische Anregung der Ladungsträger zu komplexen zweidimensionalen Interferenzphänomenen kommt, die durch Fano-Resonanzen im Anfangs- und Zwischenzustand beschrieben werden können. Zum anderen zeigte er in seiner Arbeit, warum die erhöhte Temperatur heißer Elektronen im Leitungsband über eine ungewöhnlich lange Zeitspanne von vielen Pikosekunden (1 ps = 10¹² sec) bestehen bleibt. Die Extraktion heißer Elektronen wird beispielsweise für die Effizienzsteigerung in Solarzellen der dritten Generation diskutiert.

Dr. Wilhelm Kühn hat in seiner Dissertation eine neue Methode der nichtlinearen Spektroskopie im  Terahertz-Bereich (1 THz = 10¹² Hz) entwickelt und in der Festkörperphysik eingesetzt. Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Materie wird dabei in zwei unabhängigen Zeitdimensionen gemessen, um daraus 2D Spektren in der Frequenzdomäne abzuleiten. Diese Spektren geben Aufschluss über die Kopplung verschiedener Anregungen des untersuchten Systems und ihre zeitliche Entwicklung.

THz-Wellen schwingen im Vergleich zu sichtbaren Licht sehr „langsam“, eine Schwingungsperiode dauert 250 Femtosekunden. Durch Fokussierung lassen sich hohe elektrische Felder (ca. 300 kV/cm) erreichen und zur Beschleunigung von Ladungsträgern in Festkörpern einsetzen. Kühn konnte daher mit der neuen Methode die Transporteigenschaften von Elektronen im Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) untersuchen.

Dabei fand er, dass sich stark beschleunigte Elektronen nahezu reibungsfrei ("ballistisch") durch den GaAs Kristall bewegen. Bei sehr hohen Bewegungsenergien werden sie jedoch abgebremst und sogar in die Gegenrichtung beschleunigt weil ihre effektive Masse negativ wird. Die resultierenden kreisenden Elektronenbewegungen, sog. Blochoszillationen, wurden so erstmals in einem Volumenkristall nachgewiesen.

Weitere Informationen:

Dr. Christian Eickhoff, Freie Universität Berlin, Tel.: 030 838-56047
Betreuer: Prof. Martin Weinelt, Freie Universität Berlin, Tel.: 030 838-56060

Dr. Wilhelm Kühn, Tel.: 0163-7356544
Betreuer: Prof. Thomas Elsässer, Max-Born-Institut, Tel.: 030 6392 1401

Physikalische Gesellschaft zu Berlin, Geschäftsführer Prof. Dr. Holger Grahn,
Tel. 030 20377-318

Visualisierung des Kramers-Henneberger Atoms

15. September 2011

Abb. 1 Direkte Visualisierung des exotischen Kramers-Henneberger Atoms in einem Photoelektronenspektrum. Winkel- und energieaufgelöstes Photoelektronenspektrum von Kalium  mit einem 800 nm, 1,4·1013 W/cm² und 65 fs Laserpuls. (pz und pρ sind die Elektronenimpulse entlang und senkrecht zur Laserpolarisationsachse.) Bild anklicken zum Vergrößern.

1. Eichmann et al., “Acceleration of neutral atoms in strong short-pulse laser fields”, Nature, 461, 1261-1264 (2009).
2. Felipe Morales, Maria Richter, Serguei Patchkovskii and Olga Smirnova,
“Imaging the Kramers-Henneberger atom”, PNAS, doi:10.1073/pnas.1105916108.
3. Wollenhaupt M., Krug M., Köhler J., Bayer T., Sarpe-Tudoran C. & Baumert T., “Photoelectron angular distributions from strong-field coherent electronic excitation”, Appl. Phys. B, 95, 245  (2009).
4. Schuricke M., Zhu G., Steinmann J., Simeonidis K., Ivanov I., Kheifets A., Grum-Grzhimailo A. N., Bartschat K., Dorn A. & Ullrich J., “ Strong-field ionization of lithium”, Phys. Rev. A, 83, 023413 (2011).
5. W. Henneberger, “Perturbation method for atoms in intense laser fields”, Phys. Rev. Lett., 21, 838 (1968).
6. Béjot et al., “Higher-Order Kerr Terms Allow Ionization-Free Filamentation in Gases”, Phys. Rev. Lett., 104, 103903 (2010).

Weitere Informationen:

Ansprechpartner: F. Morales, M. Richter, O. Smirnova, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Elektronen und Gitterschwingungen – ein starkes Team im Nanokosmos

4. August 2011

Die Halbleiterelektronik beruht auf der Erzeugung, Steuerung und Verstärkung elektrischer Ströme in Bauelementen wie dem Transistor. Träger des elektrischen Stroms sind frei bewegliche Elektronen, die mit hoher Geschwindigkeit durch das Kristallgitter des Halbleiters wandern. Dabei verlieren sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie, indem sie die Atome des Kristallgitters in Schwingungen versetzen. In Halbleitern wie Galliumarsenid werden die positiv und negativ geladenen Ionen des Kristallgitters ausgelenkt und schwingen mit einer extrem kurzen Periodendauer von 100 fs (1 fs = 10^-15 s = 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) gegeneinander. Im Mikrokosmos der Elektronen und Ionen ist die Schwingungsbewegung quantisiert. Das bedeutet, dass die Energie dieser Schwingung nur ein ganzzahliges Vielfaches eines Schwingungsquants, eines sog. Phonons, sein kann. Bei der Wechselwirkung eines Elektrons mit dem Kristallgitter, der sog. Elektron-Phonon-Wechselwirkung, werden Energiepakete in Form einzelner Schwingungsquanten übertragen.

Wie Berliner Forscher in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichten, hängt die Stärke der Elektron-Phonon-Wechselwirkung empfindlich von der Größe des Elektrons, d.h. von der räumlichen Ausdehnung seiner Ladungswolke ab. Experimente im Zeitbereich der Phonon-Schwingungsperiode zeigen, dass für eine reduzierte Ausdehnung der Elektronenwolke eine bis zu 50fach verstärkte Wechselwirkung auftritt. Hierdurch können die Bewegungen der Elektronen und der Ionen so stark aneinander gekoppelt werden, dass die Einzelbewegungen nicht mehr erkennbar sind. Elektron und Phonon bilden ein neues Quasiteilchen, ein Polaron.

Um dieses Phänomen sichtbar zu machen, verwendeten die Wissenschaftler Nanostrukturen aus Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid, in denen die Energien der Elektronen und der Ionenbewegung aneinander angepasst waren. Die Kopplung der Bewegungen wurde mit einem neuen optischen Verfahren sichtbar gemacht. Das System wird durch mehrere ultrakurze Lichtimpulse im Infraroten angeregt und das von den bewegten Ladungen abgestrahlte Lichtfeld wird in Echtzeit gemessen. Die Messungen ergeben sog. zweidimensionale nichtlineare Spektren (s. Abb.), in denen gekoppelte optische Übergänge getrennt erscheinen und aus denen sich die Kopplungsstärke zwischen Elektronen und Phononen ableiten lässt. Aus der Auswertung der Messdaten ergibt sich die Ausdehnung der Elektronen-Ladungswolke, die nur 3-4 Nanometer (1 Nanometer = 10^-9 m = 1 Milliardstel Meter) beträgt. Darüber hinaus beweist die neue Methode erstmals den starken Einfluss der Elektron-Phonon Kopplung auf die optischen Spektren des Halbleiters. Dies bietet interessante Perspektiven für die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente mit maßgeschneiderten optischen und elektrischen Eigenschaften

Weitere Informationen:

Veröffentlichungen: W. Kuehn et al., Phys. Rev. Lett. 107 (6), 067401(5),(2011); J. Phys. Chem. B 115, 5448 (2011).

Ansprechpartner: K. Reimann, M. Wörner, T. Elsässer, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030 6392 1470

Verrückte Spektroskopie trickst Quantenphysik aus

7. Juli 2011

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts haben eine neuartige spektroskopische Methode entwickelt, welche gleichzeitig die atomare Zusammensetzung und die räumliche Struktur von Molekülen beobachtet. Sie berichten über ihre Arbeit in der Online-Ausgabe von Science.

Verschiedene Materialeigenschaften gleichzeitig zu betrachten, ist in unserem Alltag selbstverständlich: Bereits ein kleines Kind kann Bauklötze nach Farbe und Form gleichzeitig sortieren. In der Welt der Atome und Moleküle ist das nicht so einfach möglich, denn eine Gesetzmäßigkeit der Quantenphysik besagt, dass man eine Eigenschaft nicht messen kann ohne sie zu verändern.

Um Eigenschaften von Molekülen zu bestimmen, steht Wissenschaftlern heute eine Vielzahl an spektroskopischen Methoden zu Verfügung. So lassen sich beispielsweise mit der Rotationsspektroskopie molekulare Strukturen voneinander unterscheiden, weil Moleküle mit charakteristischen Frequenzen rotieren. Die Analyse mit einem Massenspektrometer „wiegt“ Moleküle und ihre Bruchstücke und gibt so Auskunft über ihre atomare Zusammensetzung. Solche Messungen konnten Forscher bislang nur einzeln oder nacheinander durchführen, jedoch nicht gleichzeitig. Die Correlated Rotational Alignment Spectroscopy, kurz CRASY, erlaubt es nun, verknüpfte („correlated“) Eigenschaften von molekularer Struktur und atomarer Zusammensetzung über Rotations- und Massenspektroskopie gleichzeitig zu bestimmen.

CRASY Experimente können Eigenschaften untrennbarer
Moleküle ermitteln, so z.B. die Struktur und Masse zweier
CS2 Isotope im Bild.

Die Forscher bedienen sich dazu eines experimentellen Tricks: Sie regen die Moleküle zunächst mit einem ultrakurzen Laserimpuls zum Rotieren an. Zeitversetzt schicken sie einen zweiten Laserpuls hinterher, der aus dem Molekül ein Elektron herausschießt, das Molekül also ionisiert. Die Drehung des Moleküls im Raum („rotational alignment“) beeinflusst die Wahrscheinlichkeit, mit der es ionisiert wird. Dieses Experiment wiederholen die Forscher vielfach, wobei die Moleküle unterschiedlich viel Zeit zum Rotieren haben. Auf diese Weise wird die Rotationsbewegung der Moleküle auf die Anzahl erzeugter Ionen und Elektronen abgebildet. Das Gewicht der entstehenden Molekülionen wird mit einem Massenspektrometer bestimmt, die Rotationsfrequenz lässt sich dann aus der zeitabhängigen Anzahl ionisierter Moleküle berechnen. Die Forscher überlisten so die Grenzen der einzelnen spektroskopischen Methoden und erhalten gekoppelte Informationen über Struktur und Masse.

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Thomas Schultz, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Elektronen-Ping-Pong in der Nanowelt

5. Mai 2011

Einem internationalen Forscherteam ist erstmals die Kontrolle und Beobachtung stark beschleunigter Elektronen an Nanokugeln mit extrem kurzen und intensiven Laserpulsen gelungen.
Wenn starkes Laserlicht auf Elektronen in Nanoteilchen trifft, die aus einem Verbund von vielen Millionen Atomen bestehen, können Elektronen freigesetzt und stark beschleunigt werden. Einen solchen Effekt in Nanokugeln aus Quarz hat jetzt ein internationales Forscherteam im Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck Institut für Quantenoptik aufgezeichnet. Die Forscher beobachteten, wie sich im Laserlicht starke elektrische Felder (Nahfelder) in der Nähe der Nanoteilchen aufbauten und Elektronen freisetzten - die Nanoteilchen werden im Laserlicht ionisiert. Mit Hilfe der Nahfelder und kollektiver Wechselwirkungen der entstandenen Ladungen konnten freigesetzte Elektronen mit Licht soweit beschleunigt werden, dass sie die Grenzen der Beschleunigung, die an einzelnen Atomen bisher beobachtet wurde, weit überstiegen. Die genauen Bewegungen der Elektronen lassen sich präzise über das elektrische Feld des Laserlichtes steuern. Die neuen Erkenntnisse dieses durch Licht kontrollierten Prozesses könnten helfen, sehr energetische extreme ultraviolette Strahlung (XUV) zu erzeugen. Durch die Experimente und ihre theoretische Modellierung, die die Wissenschaftler im Magazin „Nature Physics“ beschreiben, ergeben sich auch neue Perspektiven für die Entwicklung ultraschneller, lichtkontrollierter Nanoelektronik, die im Vergleich zu heutiger Elektronik um bis zu eine Million mal schneller arbeiten könnte.

Der Vorgang der Elektronenbeschleunigung erinnert an einen kurzen Ballwechsel beim Tischtennis. Aufschlag, Rückgabe und noch ein schneller Schlag, der zum Punktgewinn führt. So ähnlich geht es auch zu, wenn Elektronen in Nanopartikeln mit Lichtpulsen in Berührung kommen. Einem internationalen Team, an dem Prof. Marc Vrakking vom Max-Born-Institut (MBI) beteiligt ist, ist nun die Beobachtung der Mechanismen und ihrer Auswirkungen eines solchen Ping-Pong-Spiels der Elektronen in Nanoteilchen unter der Einwirkung starker Laserlicht-Felder gelungen.
Die Wissenschaftler konnten damit erstmals das Phänomen dieses direkten elastischen Rückstoßes in einem kollektiven Nanoverbund beobachten und detailliert aufzeichnen. Für ihre Experimente verwendeten die Forscher polarisiertes Licht. Bei polarisiertem Licht schwingen die Lichtwellen lediglich entlang einer Achse und nicht, wie bei normalem Licht, in alle Richtungen. „Intensive Strahlungspulse können die Nanopartikel verändern oder zerstören. Daher haben wir isolierte Nanopartikel in einem Strahl präpariert, so dass für jeden Laserpuls frische Nanopartikel verwendet wurden. Dies ist entscheidend für die Beobachtung der hochenergetischen Elektronen“, erläutert Prof. Eckart Rühl von der Freien Universität Berlin.
Die beschleunigten Elektronen verließen die Atome in unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Energien. Diese Flugbahnen zeichneten die Wissenschaftler in einem dreidimensionalen Bild auf, mit dem sie die Energien und die Emissionsrichtungen der Elektronen bestimmten. „Die Elektronen werden nicht nur durch das laserinduzierte Nahfeld beschleunigt, welches selbst schon deutlich stärker als das Laserfeld ist, sondern auch durch Wechselwirkungen mit anderen Elektronen, die aus dem Nanoteilchen ausgelöst werden“, beschreibt Prof. Matthias Kling vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching das Experiment. Schließlich spielt auch die positive Aufladung der Nanopartikel-Oberfläche eine Rolle. Da sich alle Beiträge addieren, kann die Energie der Elektronen sehr hoch sein. „Der Vorgang ist komplex, zeigt aber, dass es in der Wechselwirkung von Nanoteilchen mit starken Laserfeldern noch sehr viel zu entdecken gibt“, ergänzt Kling.
Bei den Elektronenbewegungen können auch Pulse von extremem ultravioletten Licht entstehen, nämlich immer genau dann, wenn die Elektronen wieder auf die Oberfläche treffen, aber statt abzuprallen, absorbiert werden und dabei Licht abgeben. Extremes ultraviolettes Licht ist vor allem für die biologische und medizinische Forschung interessant.
„Nach unseren Erkenntnissen können über die Rekombination der Elektronen an den Nanoteilchen Energien der abgegebenen Photonen erreicht werden, die bis zu siebenfach über dem Limit liegen, das bisher für einzelne Atome beobachtet wurde“, erklärt Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock. Der Nachweis der kollektiven Beschleunigung der Elektronen mit Hilfe der Nanoteilchen bietet großes Potential. „Hieraus ergeben sich vielversprechende neue Anwendungsmöglichkeiten in einer zukünftigen, lichtkontrollierten ultraschnellen Elektronik, die um bis zu eine Million mal schneller arbeiten könnte, als konventionelle Elektronik“, ist Matthias Kling überzeugt.


Weitere Informationen:

Kontakt: Prof. Dr. Marc Vrakking, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

Controlled near-field enhanced electron acceleration from dielectric nanospheres with intense few-cycle laser fields
Sergey Zherebtsov, Thomas Fennel, Jürgen Plenge, Egill Antonsson, Irina Znakovskaya, Adrian Wirth, Oliver Herrwerth, Frederik Süßmann, Christian Peltz, Izhar Ahmad, Sergei A. Trushin, Vladimir Pervak, Stefan Karsch1, Marc J.J. Vrakking, Burkhard Langer, Christina Graf, Mark I. Stockman, Ferenc Krausz, Eckart Rühl, Matthias F. Kling
Nature Physics, 24. April, doi: 10.1038/NPHYS1983

Abbildung 1:
Mechanismus der Beschleunigung von Elektronen an Nanokugeln aus Glas. Das Laserfeld (rote Welle) führt zur Freisetzung von Elektronen (grüne Teilchen), die dann vom Laserfeld vom Nanoteilchen weg und anschließend wieder zurückbeschleunigt werden.
Nach einem elastischen Stoß mit der Oberfläche der Nanokugel werden schließlich sehr hohe Energien für die freigesetzten Elektronen erreicht. Die Abbildung zeigt drei Momentaufnahmen der Beschleunigung (von links nach rechts): 1) die Elektronen werden zum Stillstand gebracht und kehren wieder zur Oberfläche zurück, 2) die Elektronen stoßen elastisch mit der Oberfläche zusammen und prallen ab und 3) die Elektronen werden sehr stark von der Nanokugel wegbeschleunigt.

Abbildung 2:
Verstärkte Nahfelder an einer Nanokugel aus Glas. Die Nahfelder auf der Polachse des Teilchens sind zeitabhängig dargestellt, wobei die Zeit, wie in der dargestellten Welle, von rechts unten nach links oben verläuft. Entlang der Polarisationsachse des Lasers (entlang der Wellenkämme und Täler) zeigen die Felder eine deutliche Asymmetrie in ihrer Amplitude. Diese Asymmetrie führt zu einem höheren Energiegewinn der Elektronen auf einer Seite des Nanoteilchens im Vergleich zur anderen. Im dargestellten Fall entstehen die schnellsten Elektronen durch die maximale Feldüberhöhung auf der Rückseite des Teilchens. Die Energie der Elektronen und ihre Emissionsrichtungen werden im Experiment bestimmt.
Beide Bilder: Christian Hackenberger/LMU

Wilhelm-Ostwald-Nachwuchspreis 2010

16. Februar 2011

Die Wilhelm-Ostwald-Gesellschaft zu Großbothen e.V., die Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie und die Gesellschaft Deutscher Chemiker vergeben den Wilhelm-Ostwald-Nachwuchspreis 2010 an Herrn Dr. Ingo Barth (Max-Born-Institut Berlin) für seine außergewöhnliche Dissertation: Quantum control of electron and nuclear circulation, ring currents, and induced magnetic fields in atoms, ions and molecules by circularly polarized laser pulses.
Ingo Barth hat an der FU Berlin im Arbeitskreis von Prof. Dr. Jörn Manz promoviert. Er hat in seiner Dissertation die quantentheoretischen Grundlagen zur Anregung von Ringströmen und induzierten Magnetfeldern in Molekülen oder molekularen oder atomaren Ionen durch zirkular polarisierte Laserpulse entwickelt. Das Hauptziel ist die Erzeugung stationärer elektronischer und nuklearer Ringströme in angeregten entarteten Elektronen- und Vibrationszuständen. Der Vorteil der Anregung durch zirkular polarisierte Laserpulse besteht darin, dass sie typischerweise um zwei Größenordnungen effizienter ist, als durch externe Magnetfelder, zusätzlich erlaubt sie die Kontrolle der Ringströme. Herr Barth sagt auch voraus, dass im Zentrum solcher Ringströme gewaltige Magnetfelder herrschen.
Mit dieser Dissertation schlägt Herr Barth im Sinne Ostwalds Brücken von der Theoretischen Chemie und Physikalischen Chemie zur Theoretischen Physik und Experimentalphysik sowie zur Mathematik. Die Ergebnisse sind auch von Bedeutung für Teilgebiete der Organischen Chemie. Die Aussagen der Dissertation von Herrn Barth haben inzwischen neue Forschungsrichtungen in der Organischen Chemie, der Physikalischen Chemie und der Experimentalphysik initiiert.
Erwähnenswert ist, dass Herr Barth als Gehörloser geboren wurde und der erste Gehörlose ist, der in Deutschland in Chemie promoviert hat. Als Dozent der Gebärdensprache hat er einen Brückenschlag zu den Geisteswissenschaften geleistet. Er hat den Wortschatz der Gebärdensprache etwa um 500 Fachbegriffe aus der Theoretischen und Physikalischen Chemie erweitert.
Der Preis ist mit 2.500 Euro dotiert und wird in einer Veranstaltung der Wilhelm-Ostwald- Gesellschaft in Großbothen bei Leipzig, dem Arbeitsort des Nobelpreisträgers für Chemie 1909, Wilhelm Ostwald, am 12. März 2011 verliehen. (Ort: Wilhelm-Ostwald-Park, 04668 Großbothen, Grimmaer Str. 25, Haus Werk)

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Ingo Barth, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie

BLiX - Leibniz Applikationslabor Eröffnung

4. Februar 2011

Am 4. Februar wurde BLiX, das "Berlin Laboratory for innovative X-ray Technologies" in einer Feierstunde an der Technischen Universität Berlin eingeweiht. BliX, ist ein Applikationslabor im Wissensdreieck von Universität, Forschung und Unternehmen. Es wird gemeinsam vom Institut für Optik und atomare Physik der TU Berlin und dem Max-Born Institut betrieben. Für das MBI erfüllt es die Funktion eines "Leibniz-Applikationslabors".
Angesiedelt ist BLiX an dem von einem Unternehmenskonsortium getragenen Stiftungslehrstuhl für "Analytische Röntgenphysik" (Prof. B. Kanngießer). Auf einer von der TU hochwertig ausgestatteten Fläche von ca. 250 m² werden moderne Geräte der Röntgenanalytik für Nutzer aus Forschung und Industrie zur Verfügung stehen. Das MBI hat einen neuartigen Scheibenlaser als Treiber für eine hochbrillante Plasma- Röntgenquelle entwickelt und wird ein Labor-Röntgenmikroskop, das Produkt eines BMBF-Verbundprojekts, zu BLiX transferieren. Seitens der TU stehen ein Röntgen-Analysegerät für Kunst-und Kulturgüter sowie ein neuartiges Röntgenspektrometer zur Verfügung. Abgerundet wird das Angebot von einem Seminarraum für Schulungs- und Ausbildungszwecke. Das BLiX Team umfasst zur Zeit 10 Mitarbeiter unter der Leitung von Dr. W. Malzer (TU) und Dr. H. Stiel (MBI).

Weitere Informationen:

Kontakt: Dr. Wolfgang Malzer, Technische Universität Berlin
Dr. Holger Stiel, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie