In einer bedeutsamen Ankündigung wurde am Abend des 3. Oktober 2023 der Nobelpreis für Physik für das Jahr 2023 verliehen. Damit werden die herausragenden Beiträge dreier Wissenschaftler gewürdigt, die als Pioniere auf dem Gebiet der Attosekundenlasertechnologie eine entscheidende Rolle gespielt haben.

Der Begriff „Attosekundenlaser“ leitet sich von der unglaublich kurzen Zeitspanne ab, in der er arbeitet – genauer gesagt im Bereich von Attosekunden, entsprechend 10^-18 Sekunden. Um die tiefgreifende Bedeutung dieser Technologie zu begreifen, ist ein grundlegendes Verständnis der Bedeutung einer Attosekunde unerlässlich. Eine Attosekunde ist eine äußerst winzige Zeiteinheit und entspricht einem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde im größeren Kontext einer einzigen Sekunde. Vergleicht man eine Sekunde mit einem hoch aufragenden Berg, so entspricht eine Attosekunde einem einzelnen Sandkorn am Fuße des Berges. In diesem flüchtigen Zeitintervall kann selbst Licht kaum eine Distanz zurücklegen, die der Größe eines einzelnen Atoms entspricht. Durch den Einsatz von Attosekundenlasern erhalten Wissenschaftler die beispiellose Möglichkeit, die komplexe Dynamik von Elektronen in Atomstrukturen zu untersuchen und zu manipulieren – vergleichbar mit einer Zeitlupenwiedergabe einer Filmsequenz Bild für Bild – und so ihr Zusammenspiel zu vertiefen.

Attosekundenlaserstellen den Höhepunkt umfangreicher Forschung und konzertierter Anstrengungen von Wissenschaftlern dar, die die Prinzipien der nichtlinearen Optik zur Entwicklung ultraschneller Laser genutzt haben. Ihre Entwicklung eröffnet uns einen innovativen Ausgangspunkt für die Beobachtung und Erforschung dynamischer Prozesse in Atomen, Molekülen und sogar Elektronen in Festkörpern.

Um die Natur von Attosekundenlasern zu verstehen und ihre ungewöhnlichen Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Lasern zu würdigen, ist es unerlässlich, ihre Einordnung innerhalb der breiteren „Laserfamilie“ zu untersuchen. Die Klassifizierung nach Wellenlänge ordnet Attosekundenlaser überwiegend im Bereich von Ultraviolett- bis weicher Röntgenstrahlung ein, was auf ihre deutlich kürzeren Wellenlängen im Vergleich zu konventionellen Lasern hinweist. Hinsichtlich ihrer Ausgangsmodi fallen Attosekundenlaser in die Kategorie der gepulsten Laser, die sich durch ihre extrem kurzen Pulsdauern auszeichnen. Zur Verdeutlichung kann man sich Dauerstrichlaser wie eine Taschenlampe vorstellen, die einen kontinuierlichen Lichtstrahl aussendet, während gepulste Laser einem Stroboskoplicht ähneln, das schnell zwischen Licht- und Dunkelphasen wechselt. Attosekundenlaser zeigen im Wesentlichen ein pulsierendes Verhalten innerhalb von Licht und Dunkel, doch ihr Übergang zwischen den beiden Zuständen erfolgt mit einer erstaunlichen Frequenz, die den Attosekundenbereich erreicht.

Eine weitere Kategorisierung nach Leistung unterteilt Laser in niedrige, mittlere und hohe Leistung. Attosekundenlaser erreichen aufgrund ihrer extrem kurzen Pulsdauer eine hohe Spitzenleistung, was zu einer ausgeprägten Spitzenleistung (P) führt – definiert als Energieintensität pro Zeiteinheit (P=W/t). Obwohl einzelne Attosekundenlaserpulse keine außergewöhnlich hohe Energie (W) aufweisen, verleiht ihnen ihre verkürzte zeitliche Ausdehnung (t) eine erhöhte Spitzenleistung.

Laser decken ein breites Anwendungsspektrum ab, das industrielle, medizinische und wissenschaftliche Anwendungen umfasst. Attosekundenlaser finden vor allem in der wissenschaftlichen Forschung Anwendung, insbesondere bei der Erforschung sich rasch entwickelnder Phänomene in Physik und Chemie. Sie bieten Einblicke in die rasanten dynamischen Prozesse der Mikrokosmie.

Die Kategorisierung nach Lasermedium unterscheidet Gaslaser, Festkörperlaser, Flüssigkeitslaser und Halbleiterlaser. Die Erzeugung von Attosekundenlasern basiert typischerweise auf Gaslasermedien und nutzt nichtlineare optische Effekte zur Erzeugung höherer Harmonischer.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Attosekundenlaser eine einzigartige Klasse von Kurzpulslasern darstellen, die sich durch ihre außergewöhnlich kurze Pulsdauer von typischerweise Attosekunden auszeichnen. Dadurch sind sie zu unverzichtbaren Werkzeugen für die Beobachtung und Kontrolle der ultraschnellen dynamischen Prozesse von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern geworden.

Der aufwendige Prozess der Attosekundenlasererzeugung

Die Attosekundenlasertechnologie steht an der Spitze der wissenschaftlichen Innovation und zeichnet sich durch faszinierend anspruchsvolle Bedingungen für ihre Erzeugung aus. Um die Feinheiten der Attosekundenlasererzeugung zu verdeutlichen, beginnen wir mit einer prägnanten Darstellung der zugrunde liegenden Prinzipien, gefolgt von anschaulichen Metaphern aus dem Alltag. Leser, die mit den Feinheiten der relevanten Physik nicht vertraut sind, brauchen nicht zu verzweifeln, denn die folgenden Metaphern sollen die Grundlagen der Physik von Attosekundenlasern verständlich machen.

Der Erzeugungsprozess von Attosekundenlasern basiert im Wesentlichen auf der sogenannten Hochharmonischen-Erzeugung (HHG). Dabei wird ein Strahl hochintensiver Femtosekunden-Laserpulse (10-15 Sekunden) eng auf ein gasförmiges Zielmaterial fokussiert. Femtosekundenlaser zeichnen sich, ähnlich wie Attosekundenlaser, durch kurze Pulsdauern und hohe Spitzenleistungen aus. Unter dem Einfluss des intensiven Laserfeldes werden Elektronen in den Gasatomen kurzzeitig aus ihren Atomkernen freigesetzt und gelangen in einen Zustand freier Elektronen. Schwingen diese Elektronen in Reaktion auf das Laserfeld, kehren sie schließlich zu ihren ursprünglichen Atomkernen zurück und rekombinieren mit ihnen, wodurch neue hochenergetische Zustände entstehen.

Während dieses Prozesses bewegen sich Elektronen mit extrem hoher Geschwindigkeit und setzen bei der Rekombination mit den Atomkernen zusätzliche Energie in Form von hochharmonischen Emissionen frei, die sich als hochenergetische Photonen manifestieren.

Die Frequenzen dieser neu erzeugten hochenergetischen Photonen sind ganzzahlige Vielfache der ursprünglichen Laserfrequenz und bilden sogenannte Oberwellen. Unter Oberwellen versteht man Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der ursprünglichen Frequenz sind. Um Attosekundenlaser zu erzeugen, müssen diese Oberwellen gefiltert und fokussiert werden, wobei bestimmte Oberwellen ausgewählt und in einem Brennpunkt konzentriert werden. Pulskompressionsverfahren können die Pulsdauer gegebenenfalls weiter verkürzen und ultrakurze Pulse im Attosekundenbereich erzeugen. Die Erzeugung von Attosekundenlasern ist ein anspruchsvoller und vielschichtiger Prozess, der ein hohes Maß an technischem Können und Spezialausrüstung erfordert.

Um diesen komplizierten Prozess zu entmystifizieren, bieten wir eine metaphorische Parallele an, die auf alltäglichen Szenarien basiert:

Hochintensive Femtosekunden-Laserpulse:

Stellen Sie sich vor, Sie verfügen über ein außergewöhnlich leistungsstarkes Katapult, das Steine ​​augenblicklich mit enormer Geschwindigkeit schleudern kann, ähnlich der Funktion hochintensiver Femtosekunden-Laserpulse.

Gasförmiges Zielmaterial:

Stellen Sie sich eine ruhige Wassermasse vor, die das gasförmige Zielmaterial symbolisiert, wobei jeder Wassertropfen unzählige Gasatome repräsentiert. Das Einwerfen von Steinen in diese Wassermasse spiegelt analog die Wirkung hochintensiver Femtosekunden-Laserpulse auf das gasförmige Zielmaterial wider.

Elektronenbewegung und Rekombination (physikalisch als Übergang bezeichnet):

Wenn Femtosekunden-Laserpulse auf die Gasatome im gasförmigen Zielmaterial treffen, werden eine beträchtliche Anzahl äußerer Elektronen kurzzeitig angeregt und lösen sich von ihren jeweiligen Atomkernen ab, wodurch ein plasmaähnlicher Zustand entsteht. Da die Energie des Systems anschließend abnimmt (da die Laserpulse von Natur aus gepulst sind und Pausen aufweisen), kehren diese äußeren Elektronen in die Nähe der Atomkerne zurück und setzen dabei hochenergetische Photonen frei.

Erzeugung hoher Harmonischer:

Stellen Sie sich vor: Jedes Mal, wenn ein Wassertropfen auf die Seeoberfläche zurückfällt, erzeugt er Wellen, ähnlich den Hohen Harmonischen in Attosekundenlasern. Diese Wellen haben höhere Frequenzen und Amplituden als die ursprünglichen Wellen, die durch den primären Femtosekundenlaserpuls verursacht wurden. Während des HHG-Prozesses beleuchtet ein starker Laserstrahl, ähnlich wie beim Werfen von Steinen, ein Gasziel, das der Seeoberfläche ähnelt. Dieses intensive Laserfeld treibt Elektronen im Gas, analog zu Wellen, von ihren Atomen weg und zieht sie dann zurück. Jedes Mal, wenn ein Elektron zum Atom zurückkehrt, sendet es einen neuen Laserstrahl mit höherer Frequenz aus, ähnlich komplexeren Wellenmustern.

Filtern und Fokussieren:

Die Kombination all dieser neu erzeugten Laserstrahlen ergibt ein Spektrum verschiedener Farben (Frequenzen oder Wellenlängen), von denen einige den Attosekundenlaser bilden. Um bestimmte Wellengrößen und -frequenzen zu isolieren, kann man einen speziellen Filter verwenden, ähnlich wie bei der Auswahl gewünschter Wellen, und diese mit einer Lupe auf einen bestimmten Bereich fokussieren.

Pulskompression (falls erforderlich):

Um Wellen schneller und kürzer auszubreiten, kann man ihre Ausbreitung mithilfe eines speziellen Geräts beschleunigen und so die Dauer jeder Welle verkürzen. Die Erzeugung von Attosekundenlasern erfordert ein komplexes Zusammenspiel von Prozessen. Durch die Aufschlüsselung und Visualisierung wird es jedoch verständlicher.