Kasseler Physiker erzeugen Elektron mit Doppelstruktur

Der Nachweis dafür, dass freie Materieteilchen durch Lichtpulse gezielt geformt und so die Eigenschaften von Laserpulsen auf Elektronen übertragen werden können, ist Forschern am Fachbereich Physik der Universität Kassel gelungen.

Praktische Anwendung könnte die Technologie in der Röntgenmedizin finden, wo mit ihrer Hilfe – zum Nutzen der Patienten – die gefährliche Strahlenbelastung reduziert werden kann.

Der Nachweis dafür, dass freie Materieteilchen durch Lichtpulse gezielt geformt und so die Eigenschaften von Laserpulsen auf Elektronen übertragen werden können, ist Forschern am Fachbereich Physik der Universität Kassel gelungen. Praktische Anwendung könnte die Technologie in der Röntgenmedizin finden, wo mit ihrer Hilfe – zum Nutzen der Patienten – die gefährliche Strahlenbelastung reduziert werden kann. Die Wissenschaftler der Kasseler Forschungsgruppe um Thomas Baumert arbeiteten bei ihren Untersuchungen eng mit den Teams um Gustav Gerber von der Universität Würzburg und Bertrand Girard von der Universität Toulouse zusammen. Die Resultate ihrer Experimente werden die Physiker unter dem Titel „Interferences of ultrashort free electron wave packets“ in der Ausgabe der „Physical Review Letters“ am 28. Oktober 2002 veröffentlichen.

Ansatzpunkt der Arbeit der Forschungsgruppen war die Erzeugung eines doppelten Lichtpulses: In einem so genannten Michelson-Interferometer trifft ein Lichtpuls auf einen teilversilberten Spiegel und wird dabei in zwei Teile aufgespalten. Die Forscher stellten sich die Frage, ob es möglich sei, eine derartige Doppelstruktur auch auf ein freies Elektron zu übertragen. Dazu beschossen sie in einem Experiment ein Atom mit dem sehr kurzen, zweigeteilten Lichtpuls und lösten so ein Elektron aus dem Atom heraus.

Bei der Beantwortung ihrer Forschungsfrage, machten sich die Wissenschaftler den Umstand zu Nutze, dass Elektronen sich nicht immer wie Teilchen verhalten, sondern wie Wellen, ähnlich denen auf einer Wasseroberfläche. Elektronenwellen können sich, ebenso wie Wasser- oder Lichtwellen, überlagern und an bestimmten Orten gegenseitig auslöschen oder verstärken – ein Phänomen, das als Interferenz bekannt ist: Überträgt sich durch den Laserbeschuss die Doppelstruktur des Lichtpulses auf das Elektron, kann es als zweigeteiltes Elektron angesehen werden. Die Elektronenwellen beginnen sich auf ihrem Weg zum Elektronenempfänger zu überlagern und Interferenzen zu erzeugen. Im Kasseler Experiment konnten solche Interferenzen in Form von zeitlichen Veränderungen des Elektronensignals nachgewiesen werden.

Da mit modernster Lasertechnik beliebig komplex geformte Laserpulse erzeugt werden können, eröffnet sich mit dem Nachweis, den Baumert, Gerber und Girard in ihrem Experiment erbrachten, die Möglichkeit, freie Elektronen gezielt zu formen und zu beeinflussen. Derzeit wird in Kassel in Zusammenarbeit mit dem Laserzentrum Hannover untersucht, inwieweit die Elektronen in einer laserbasierten Röntgenquelle dahingehend manipuliert werden können, besonders kurze Röntgenimpulse zu erzeugen. Damit würde die Strahlenbelastung für die Patienten in der Röntgenmedizin deutlich verringert werden.

Infos zum Thema:

Prof. Dr. Thomas Baumert
Universität Kassel
Fachbereich Physik
Telefon: 0561 – 804 44 52
Fax: 0561 – 804 42 02
E-mail: tbaumert@physik.uni-kassel.de