In einer denkwürdigen Bekanntgabe am Abend des 3. Oktober 2023 wurde der Nobelpreis für Physik für das Jahr 2023 verliehen. Mit ihm werden die herausragenden Leistungen von drei Wissenschaftlern 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, was 10⁻¹⁸ Sekunden entspricht. Um die tiefgreifende Bedeutung dieser Technologie zu erfassen, ist ein grundlegendes Verständnis dessen, was eine Attosekunde ausmacht, unerlässlich. Eine Attosekunde ist eine extrem winzige Zeiteinheit und entspricht einem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde innerhalb einer Sekunde. Um dies zu veranschaulichen: Wenn wir eine Sekunde mit einem gewaltigen Berg vergleichen würden, wäre eine Attosekunde vergleichbar mit einem einzelnen Sandkorn am Fuße des Berges. In diesem flüchtigen Zeitintervall kann selbst Licht kaum eine Strecke zurücklegen, die der Größe eines einzelnen Atoms entspricht. Durch die Nutzung von Attosekundenlasern erhalten Wissenschaftler die beispiellose Möglichkeit, die komplexe Dynamik von Elektronen in atomaren Strukturen zu untersuchen und zu manipulieren, vergleichbar mit einer Einzelbild-Zeitlupenwiedergabe in einer Filmsequenz, und so deren Zusammenspiel zu erforschen.

AttosekundenlaserSie stellen den Höhepunkt umfangreicher Forschung und gemeinsamer Anstrengungen von Wissenschaftlern dar, die die Prinzipien der nichtlinearen Optik genutzt haben, um ultraschnelle Laser zu entwickeln. Ihre Entwicklung hat uns einen innovativen Blickwinkel für die Beobachtung und Erforschung der dynamischen Prozesse eröffnet, die in Atomen, Molekülen und sogar Elektronen in Festkörpern ablaufen.

Um die Natur von Attosekundenlasern zu verstehen und ihre ungewöhnlichen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Lasern zu würdigen, ist es unerlässlich, ihre Einordnung innerhalb der Laserfamilie zu betrachten. Die Klassifizierung nach Wellenlänge ordnet Attosekundenlaser überwiegend dem Bereich von ultravioletten bis weichen Röntgenstrahlen zu, was ihre deutlich kürzeren Wellenlängen im Vergleich zu herkömmlichen Lasern verdeutlicht. Hinsichtlich ihrer Betriebsart zählen Attosekundenlaser zu den Pulslasern, die sich durch ihre extrem kurzen Pulsdauern auszeichnen. Zur Veranschaulichung kann man sich Dauerstrichlaser wie eine Taschenlampe vorstellen, die einen kontinuierlichen Lichtstrahl aussendet, während Pulslaser einem Stroboskop ähneln, das schnell zwischen Phasen der Beleuchtung und Dunkelheit wechselt. Im Wesentlichen zeigen Attosekundenlaser ein pulsierendes Verhalten innerhalb der Beleuchtungs- und Dunkelheitsphasen, wobei der Übergang zwischen diesen beiden Zuständen mit einer erstaunlichen Frequenz im Attosekundenbereich erfolgt.

Eine weitere Kategorisierung nach Leistung teilt Laser in Niedrig-, Mittel- und Hochleistungslaser ein. Attosekundenlaser erreichen aufgrund ihrer extrem kurzen Pulsdauer eine hohe Spitzenleistung, was zu einer ausgeprägten Spitzenleistung (P) führt – definiert als die Energieintensität pro Zeiteinheit (P = W/t). Obwohl einzelne Attosekundenlaserpulse keine außergewöhnlich hohe Energie (W) aufweisen, verleiht ihnen ihre kurze Pulsdauer (t) eine hohe Spitzenleistung.

Laser finden in einem breiten Anwendungsspektrum Verwendung, das industrielle, medizinische und wissenschaftliche Anwendungen umfasst. Attosekundenlaser spielen dabei vor allem in der wissenschaftlichen Forschung eine wichtige Rolle, insbesondere bei der Erforschung sich rasch entwickelnder Phänomene in Physik und Chemie. Sie ermöglichen Einblicke in die dynamischen Prozesse der Mikrowelt.

Die Kategorisierung nach Lasermedium unterscheidet zwischen Gaslasern, Festkörperlasern, Flüssigkeitslasern und Halbleiterlasern. Die Erzeugung von Attosekundenlasern basiert typischerweise auf Gaslasermedien, wobei nichtlineare optische Effekte zur Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung genutzt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Attosekundenlaser eine einzigartige Klasse von Kurzpulslasern darstellen, die sich durch ihre extrem kurzen Pulsdauern auszeichnen, die typischerweise in Attosekunden gemessen werden. Dadurch sind sie zu unverzichtbaren Werkzeugen für die Beobachtung und Steuerung der ultraschnellen dynamischen Prozesse von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern geworden.

Der aufwendige Prozess der Attosekundenlasererzeugung

Die Attosekundenlasertechnologie steht an der Spitze wissenschaftlicher Innovationen und zeichnet sich durch faszinierend strenge Erzeugungsbedingungen aus. Um die Komplexität der Attosekundenlasererzeugung zu verdeutlichen, beginnen wir mit einer prägnanten Darstellung ihrer grundlegenden 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 Attosekundenlaserphysik verständlich machen.

Die Erzeugung von Attosekundenlasern basiert hauptsächlich auf der Technik der Hochharmonischenerzeugung (HHG). Dabei wird ein Strahl hochintensiver Femtosekunden-Laserpulse (10⁻¹⁵ Sekunden) auf ein gasförmiges Zielmaterial fokussiert. Femtosekundenlaser zeichnen sich, ähnlich wie Attosekundenlaser, durch kurze Pulsdauern und hohe Spitzenleistungen aus. Unter dem Einfluss des intensiven Laserfelds werden Elektronen aus den Gasatomen kurzzeitig aus ihren Atomkernen gelöst und befinden sich vorübergehend im Zustand freier Elektronen. Während diese Elektronen im Laserfeld oszillieren, kehren sie schließlich zu ihren Atomkernen zurück und rekombinieren mit ihnen, wodurch neue hochenergetische Zustände entstehen.

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

Die Frequenzen dieser neu erzeugten hochenergetischen Photonen sind ganzzahlige Vielfache der ursprünglichen Laserfrequenz und bilden sogenannte Oberwellen. „Oberwellen“ bezeichnet dabei Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der ursprünglichen Frequenz sind. Um Attosekundenlaser zu erzeugen, müssen diese Oberwellen gefiltert und fokussiert werden, indem spezifische Oberwellen ausgewählt und in einem Brennpunkt konzentriert werden. Bei Bedarf kann die Pulsdauer durch Pulskompression weiter verkürzt werden, wodurch ultrakurze Pulse im Attosekundenbereich entstehen. Die Erzeugung von Attosekundenlasern ist somit ein komplexer und vielschichtiger Prozess, der ein hohes Maß an technischem Know-how und spezialisierte Ausrüstung erfordert.

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

Hochintensive Femtosekunden-Laserpulse:

Stellen Sie sich vor, Sie besäßen ein außergewöhnlich leistungsstarkes Katapult, das Steine ​​augenblicklich mit kolossaler Geschwindigkeit schleudern kann, ähnlich der Rolle, die hochintensive Femtosekunden-Laserpulse spielen.

Gasförmiges Zielmaterial:

Stellen Sie sich ein ruhiges Gewässer vor, das das gasförmige Zielmaterial symbolisiert, wobei jeder Wassertropfen unzählige Gasatome repräsentiert. Das Einbringen von Steinen in dieses Gewässer spiegelt analog die Wirkung hochenergetischer Femtosekunden-Laserpulse auf das gasförmige Zielmaterial wider.

Elektronenbewegung und Rekombination (physikalisch als Übergang bezeichnet):

Wenn Femtosekunden-Laserpulse auf die Gasatome im gasförmigen Zielmaterial treffen, wird eine signifikante Anzahl äußerer Elektronen kurzzeitig angeregt und löst sich von ihren jeweiligen Atomkernen, wodurch ein plasmaähnlicher Zustand entsteht. Mit der anschließenden Abnahme der Systemenergie (da die Laserpulse gepulst sind und Pausen aufweisen) kehren diese äußeren Elektronen in die Nähe der Atomkerne zurück und setzen dabei hochenergetische Photonen frei.

Erzeugung hoher Oberwellen:

Stellen Sie sich vor, jedes Mal, wenn ein Wassertropfen auf die Seeoberfläche zurückfällt, erzeugt er Wellen, ähnlich den hohen Harmonischen in Attosekundenlasern. Diese Wellen weisen höhere Frequenzen und Amplituden auf als die ursprünglichen Wellen, die durch den primären Femtosekunden-Laserpuls hervorgerufen wurden. Beim Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) beleuchtet ein starker Laserstrahl, vergleichbar mit kontinuierlich geworfenen Steinen, ein Gasziel, das der Seeoberfläche ähnelt. Dieses intensive Laserfeld schleudert Elektronen im Gas, analog zu den Wellen, von ihren Atomen weg und zieht sie dann wieder zurück. Jedes Mal, wenn ein Elektron zum Atom zurückkehrt, emittiert es einen neuen Laserstrahl mit höherer Frequenz, vergleichbar mit 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 ausmachen. Um bestimmte Wellengrößen und -frequenzen zu isolieren, kann man einen speziellen Filter verwenden, ähnlich wie bei der Auswahl gewünschter Wellen, und diese mithilfe einer Lupe auf einen bestimmten Bereich fokussieren.

Pulskompression (falls erforderlich):

Möchte man Wellen schneller und kürzer ausbreiten, kann man ihre Ausbreitung mithilfe einer speziellen Vorrichtung beschleunigen und so die Dauer jeder Welle verkürzen. Die Erzeugung von Attosekundenlasern ist ein komplexes Zusammenspiel von Prozessen. Werden diese jedoch aufgeschlüsselt und visualisiert, werden sie verständlicher.