Wissenschaftler haben einen bedeutenden Fortschritt bei der Manipulation extrem kurzer Lichtstöße, sogenannter Attosekundenpulse, erzielt. Forscher des Max-Born-Instituts (MBI) und DESY haben eine Plasmalinse demonstriert, die in der Lage ist, diese Pulse zu fokussieren – ein Durchbruch, der die für die Untersuchung der unglaublich schnellen Bewegungen von Elektronen verfügbare Leistung erheblich steigern wird. Die in Nature Photonics veröffentlichten Ergebnisse eröffnen aufregende neue Wege zum Verständnis und zur Kontrolle des Elektronenverhaltens in Atomen, Molekülen und festen Materialien.
Attosekundenimpulse und die Herausforderung der Fokussierung verstehen
Attosekundenpulse – die nur ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde dauern – sind wichtige Werkzeuge zur Beobachtung und Manipulation der Bewegungen von Elektronen. Allerdings war die Fokussierung dieser Impulse, die im extremen Ultraviolett- (XUV) und Röntgenbereich des elektromagnetischen Spektrums liegen, in der Vergangenheit eine große Hürde. Derzeitige herkömmliche Methoden sind unzureichend.
- Spiegel: Obwohl sie häufig verwendet werden, weisen sie ein geringes Reflexionsvermögen auf und verschlechtern sich schnell.
- Herkömmliche Linsen: Diese sind für sichtbares Licht wirksam, für Attosekundenpulse jedoch ungeeignet, da sie XUV-Licht absorbieren und die Pulsdauer verlängern.
Die innovative Plasmalinsenlösung
Das Forschungsteam meisterte diese Herausforderung durch die Entwicklung einer neuartigen Plasmalinse. Bei diesem Prozess werden starke elektrische Impulse durch Wasserstoffgas abgefeuert, das in einer winzigen Röhre eingeschlossen ist. Dadurch werden den Wasserstoffatomen schnell ihre Elektronen entzogen, wodurch ein Plasma entsteht – ein Materiezustand, in dem Elektronen von den Atomen getrennt werden. Die Elektronen breiten sich auf natürliche Weise nach außen aus und bilden eine Plasmastruktur, die einer konkaven Linse ähnelt.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen Materialien beugt Plasma das Licht so, dass es die Attosekundenimpulse fokussieren und nicht ausbreiten kann.
Wichtige Vorteile und Erkenntnisse
Die neue Plasmalinse bietet mehrere entscheidende Vorteile:
- Breitspektrumsfokussierung: Das Objektiv kann Attosekundenimpulse über einen Bereich von XUV-Wellenlängen effektiv fokussieren.
- Einstellbare Brennweite: Die Brennweite des Objektivs kann durch Steuerung der Plasmadichte angepasst werden.
- Hohe Übertragungsrate: Die Forscher erreichten eine Übertragungsrate von über 80 %, was bedeutet, dass ein erheblicher Teil der Attosekundenimpulse die Linse passiert.
- Austausch des Infrarotfilters: Die Plasmalinse filtert effektiv die Infrarot-Antriebsimpulse heraus, die normalerweise separate Metallfilter erfordern. Der Wegfall dieser Filter führt zu einer stärkeren und intensiveren Attosekunden-Lichtquelle.
Erhaltung der ultraschnellen Pulsdauer
Um die Leistung der Plasmalinse vollständig zu charakterisieren, führten die Forscher detaillierte Computersimulationen durch. Diese Simulationen ergaben, dass die Dauer der Attosekundenpulse nach der Fokussierung nur geringfügig von 90 auf 96 Attosekunden zunahm. Darüber hinaus komprimierte die Plasmalinse unter realistischen Bedingungen, bei denen sich die Impulskomponenten zu leicht unterschiedlichen Zeiten bewegen, die Impulse tatsächlich, wodurch sich die Dauer von 189 auf 165 Attosekunden verkürzte.*
Dieser Durchbruch erweitert die Möglichkeiten für Attosekundenexperimente, die oft durch die verfügbare Lichtintensität begrenzt sind, erheblich.
Die Entwicklung dieser Plasmalinse stellt einen wesentlichen Fortschritt in der ultraschnellen Optik dar. Sie bietet Wissenschaftlern ein leistungsstarkes neues Werkzeug zur Untersuchung der grundlegenden Dynamik von Elektronen und ebnet den Weg für innovative Anwendungen in Bereichen wie Materialwissenschaften und Quantentechnologie
