Starke Laser machen "Quantenbahnen" sichtbar

Die moderne Lasertechnik erlaubt es heute, dieWechselwirkung von Atomen mit Strahlung unter extremen Bedingungen zuuntersuchen. Es ist zurzeit möglich, kurze Impulse im Bereich bisherunter zu fünf Femtosekunden (ein Femtosekunde = eine BilliardstelSekunde) zu erzeugen. Diese Zeitdauer ist kurz gegenüber vielenVorgängen im atomaren Bereich. Außerdem kann die erzeugte Stärkedes Laserfelds so gesteigert werden, dass sie die Felder im Innerenvon Atomen übertrifft. Damit werden einerseits ultraschnelle, atomareund molekulare Prozesse einer Beobachtung zugänglich, andererseitskönnen die Atome unter Bedingungen studiert werden, wie sie sonst nurin extremen Fällen – zum Beispiel in Sternatmosphären – vorkommen.

Die neuen Experimentiermöglichkeiten haben bei der Darstellung deratomaren Vorgänge Defizite aufgedeckt, die nunmehr durch den Einsatzeiner alternativen Beschreibung der Quantenvorgänge überwundenwerden konnten. So weist die vom Garchinger Max-Planck-Institut fürQuantenoptik untersuchte Photoionisation einige Besonderheiten auf.Beispielsweise nehmen die Elektronen mehr Energie auf, als sie fürden eigentlichen Ablösungsprozess benötigen. Wegen der Quantisierungder Strahlungsenergie tritt als Folge eine Quantisierung derkinetischen Energie der abgelösten Elektronen auf; dieEnergiespektren der Elektronen zeigen eine diskrete Struktur. DieseProzesse, die mit der Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlungbei der Ablösung des Elektrons zusammenhängen, nennt man Ionisationmit Energien oberhalb der Ionisationsgrenze. Abb. 1 zeigt die beidiesen Untersuchungen erhaltenen Elektronenspektren.

Abbildung 1: Energiespektren von Photoelektronen bei derWechselwirkung mit intensiver Laserstrahlung. Links: Die Abstände derMaxima entsprechen der Photonenenergie und ihre Energieposition wirddurch ein verallgemeinertes Einsteinsches Gesetz bestimmt. Rechts: Beihöheren Intensitäten (hier ca. 0.7·10¹⁴ W/cm²)sind diese Maxima weniger gut ausgeprägt und man findet ein Plateauim Bereich zwischen ca. 20 und 40 eV. Dieses Plateau rührt daher,dass ein Teil der Elektronen während des Ionisationsprozesses in denAtomverband zurückkehrt und dort Streuprozesse ausführt.

Ein weiteres Phänomen ist die Erzeugung hoher“Harmonischer“, das heißt: Durch das Atom werden Vielfacheder eingestrahlten Lichtfrequenz erzeugt. Ursache für diesen Effektist das Ablösen und nachfolgende Wiedereinfangen des Elektrons, wobeiVielfache der Frequenz der eingestrahlten Welle ausgesandt werden.Diese Erzeugung von „Harmonischen“ ist ein vielversprechender Ansatz, kohärente Strahlung im Vakuum-UV-Bereich undsogar im weichen Röntgenbereich zu erzeugen. Die Methode hat deshalbein hohes Potenzial für Anwendungen, unter anderem beiStrukturuntersuchungen oder beim Studium biologischer Systeme mitRöntgenstrahlen.

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

Die Wissenschaftler studieren die unterschiedlichen Phänomene mitzwei verschiedenen Methoden:

1. In einem Laufzeitexperiment werden die Energien der Elektronenuntersucht, wobei sich die emittierten Elektronen durch eine“Driftstrecke“ bewegen. Bei der Ablösung des Elektrons ausdem Atomverband beobachten die Forscher aufgrund der Wechselwirkungmit dem Laserlicht eine Serie von Maxima (Abb. 1), deren Amplitudesehr schnell mit zunehmender Ordnung abnimmt und dann bei hohenOrdnungen konstant bleibt, also ein plateauartiges Verhalten zeigt.

2. Ein Spektroskopie-Experiment dient dazu, die Erzeugung der“Harmonischen“ zu studieren. Bei der nichtsequentiellenDoppel-Ionisation wird die Anzahl einfach und mehrfach geladener Ionenals Funktion der Laserintensität gemessen. Dabei stellt sich heraus,dass bei vergleichsweise niedrigen Intensitäten eine sehr vielgrößere Zahl geladener Ionen entsteht als nach den herkömmlichenModellen zu erwarten ist.

Abbildung 2: Spektrum der höheren Vielfachen derLaserfrequenz. Die Abbildung zeigt die ungeraden Harmonischen von der19. bis zur 33. Ordnung, die in einem Vakuum-UV-Spektrometeranalysiert und mit einer pn-CCD Detektoranordnung aufgenommen wurden.

Im Labor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik können dieWissenschaftler erstmals alle drei Phänomene praktisch gleichzeitigmit ein- und demselben Lasersystem untersuchen. Für die Untersuchungder Verwandtschaft dieser Effekte ist das von besonderer Bedeutung, dadie Charakterisierung von Femtosekundenlaserpulsen und damit dieVergleichbarkeit verschiedener Lasersysteme ein großes Problem beiverschiedenen Experimenten darstellt. Eine weitere Besonderheit desExperiments ist die außerordentlich hohe Sensitivität. Sie wirdeinerseits durch eine extrem hohe Laserpuls-Repetitionsrate (100 kHz)und andererseits durch sehr empfindliche Detektoren erreicht. EinBeispiel dafür ist das Spektrometer für den weichen Röntgenbereich.Abb. 2 zeigt hohe „Harmonische“ des Femtosekundenlasers, diemithilfe dieser speziellen CCD-Kamera aufgenommen wurden.

Die Atome werden unter besonders extremen Bedingungen untersucht,weil eine theoretische Beschreibung der Phänomene nicht ganz einfachist – die üblichen Berechnungsmethoden greifen hier nicht. GroßenErfolg hatte die Beschreibung der Ionisation in einem klassischenModell, bei dem die Bahnen der Elektronen unter der Einwirkung desLaserfelds berechnet werden (Abb. 3). Besonders interessant sind dabeivor allem die Bahnen der Elektronen, die während desIonisationsprozesses zum Ionenrumpf zurückkehren. Je nachdem, ob dasElektron mit dem Atom rekombiniert, streut oder durch Stoß mit einemanderen Elektron des Atoms weiter ionisiert, ergeben sich die dreierwähnten Phänomene: also die Erzeugung energiereicher Photonen undElektronen sowie mehrfach geladener Ionen. Diese einfache undeinheitliche Erklärung höchst kompliziert erscheinender Effekte hatdem klassischen Modell schnell zum Durchbruch verholfen, umso mehr, daes sogar korrekte quantitative Vorhersagen liefert. Die Anwendungklassischer Konzepte hat bei den hohen Feldstärken teilweise denVorteil, da unter diesen Bedingungen Quanteneffekte in den Hintergrundtreten können.

Abbildung 3: Das atomare Potential wird durch das Lichtfeldstark deformiert. Gezeigt ist die Potentialfläche eines Atoms unterder Einwirkung einer elliptisch polarisierten Welle für 3 Zeitpunkteinnerhalb einer optischen Periode. Die Phasen dieser Zeitpunkte sindzusammen mit der Polarisationsellipse im oberen linken Rand derPotentialbilder skizziert. Für zwei Fälle sind die klassischenTrajektorien der Photoelektronen eingezeichnet.

Trotzdem blieben die konzeptionellen Schwächen dieser Theorie – manbefand sich in einer Situation, die an die Frühzeit derQuantenmechanik und das Bohrsche Atommodell erinnerte. Inzwischenzeigten mehrere Experimente die Grenzen des klassischen Modellsdadurch auf, dass Interferenzstrukturen in Photoelektronenspektrennachgewiesen wurden. Abb. 4 zeigt winkelaufgelöste Energie-Spektrenbei elliptisch polarisierten Femtosekundenlaserpulsen. Ein Schnittdurch diese Graphik bei 0° entspricht einem Spektrum, das durchElektronenemission parallel zur großen Hauptachse derPolarisationsellipse entsteht, während Schnitte bei ± 90°Elektronenemission senkrecht dazu darstellen. Bemerkenswert an dieserMessung ist, dass das Spektrum in der Nähe der 0°-Richtungaufgespalten ist. Diese Struktur ist als Interferenzerscheinung zudeuten.

Abbildung 4: Winkelaufgelöstes Photoelektronenspektrum beielliptischer Laserpolarisation. Die höhenlinienartigen Konturendeuten die Absorption einer entsprechenden Anzahl von Photonenoberhalb der Ionisationsenergie an. Die charakteristische Aufspaltungdes hochenergetischen Teils des Spektrums ist ein Interferenzeffekt.Dieser Interferenzeffekt kommt dadurch zustande, dass bei derIonisation jeweils zwei verschiedene Elektronenbahnen möglich sind,die nach dem Muster eines Doppelspaltexperiments miteinanderinterferieren.

Damit rückte eine quantenmechanische Behandlung des Problems vonAtomen in starken Laserfeldern wieder in den Brennpunkt. Ausgehend vomunbestreitbaren Erfolg der klassischen Methoden lag die Verwendungderjenigen Formulierung der Quantenmechanik nahe, die sich an die derklassische Physik am engsten anlehnt: das Feynmansche Pfadintegral. Esberücksichtigt alle denkbaren Trajektorien und verallgemeinert dasKonzept der Trajektorie dahingehend, dass diese entsprechend der mitihnen verbundenen Wirkung eine Phase erhält und komplexe Werteannehmen kann. Ersteres stellt die Interferenzfähigkeit sicher,letzteres lässt auch die Beschreibung der für die Quantenmechanikcharakteristischen Tunnelphänomene zu. Die Elektronenbahnen derklassischen Theorie finden wir folgerichtig näherungsweise als dieRealteile derjenigen Quantentrajektorien wieder, für die jene obenerwähnte Phase stationär wird.

Abbildung 5: ATI-Spektrum bei elliptischer Polarisation füreine Emissionsrichtung 30° geneigt gegen die große Halbachse derPolarisationsellipse. Bemerkenswert ist die stufenartige Form desSpektrums. Die Stufen können den skizzierten Paaren vonQuantentrajektorien zugeordnet werden. (Naturgemäß sind nur dieRealteile dieser Trajektorien dargestellt.) Im oberen Teil des Bildeszeigt ein Cartoon ballistische Bahnen, die auf zwei verschiedenenWegen zum selben Ergebnis führen. In der Quantenphysik ergeben solcheBahnen Interferenzerscheinungen, wie sie in der Photoionisation (Abb.4) beobachtet werden.

Besonders eindrucksvoll kann die Signifikanz dieser Methode in denFällen demonstriert werden, in denen nur wenige Trajektorien zu einerbestimmten Übergangsamplitude – das heißt, beispielsweise zubestimmten Elektronen in einem ATI-Spektrum – beitragen. In der inAbb. 5 gezeigten Messung gelang dies durch die Verwendung elliptischerPolarisation und Auswahl einer Elektronen-Emissionsrichtung, die vonder Hauptachse der Polarisationsellipse um 30° abwich. Das sichergebende Spektrum hat eine stufenartige Form. Die Rechnung zeigt,dass jede dieser Stufen einem einzigen Paar Elektronentrajektorienzugeordnet werden kann. Interferenzeffekte kann man immer dannbeobachten, wenn mindestens zwei für den Beobachter nichtunterscheidbare Pfade zum selben Endzustand führen. Hier trifft dasauf die beiden Trajektorien der gezeigten Paare zu (siehe Abb. 5).

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

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Herbert Walther
Max-Planck-Institut fürQuantenoptik
AbteilungLaserphysik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching
Ludwig-Maximilians-UniversitätMünchen
Sektion Physik
Tel.: 0 89 / 3 29 05 – 7 04
Fax: 0 89 / 3 29 05 – 7 10
E-Mail: herbert.walther@mpq.mpg.de

Dr. Gerhard Paulus
Max-Planck-Institut fürQuantenoptik
AbteilungLaserphysik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching
Tel.: 0 89 / 3 29 05 – 2 93
Fax: 0 89 / 3 29 05 – 2 00
E- Mail: gerhard.paulus@mpq.mpg.de