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Attosekundenphysik
Die Attosekundenphysik verfolgt das Ziel, die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern mit bislang unerreichter zeitlicher Auflösung …
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Was ist Attosekundenphysik?
Die Attosekundenphysik (auch Attophysik) ist ein Teilgebiet der Physik, das die Licht-Materie-Wechselwirkung mit Attosekundenpulsen (1 as = 10^-18 s) untersucht. Sie ermöglicht es, dynamische Prozesse in Materie mit bislang unerreichter Zeitauflösung zu beobachten: In 10^-18 s ordnen sich Elektronen in Atomen neu an, und in dieser Zeit entstehen oder brechen chemische Bindungen. Die Attosekundenphysik wirkt wie ein Mikroskop für die Zeit und vertieft das Verständnis der Quantenwelt.
Grundprinzip: Erzeugung hoher Harmonischer
Methodisch basiert alles auf der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG, high harmonic generation). Trifft extrem intensives Laserlicht auf Atome, werden Elektronen kurzzeitig herausgerissen, vom elektrischen Feld beschleunigt und wieder zurück ins Atom geschleudert. Dabei geben die Atome ultrakurze, energiereiche Lichtimpulse ab, deren Frequenz ein ungerades Vielfaches der Laserfrequenz ist und bis in den ultravioletten, extrem ultravioletten (EUV/XUV) oder Röntgenbereich reicht. Diese kohärenten, extrem kurzen EUV-Blitze (oft nur wenige Attosekunden lang) dienen als Stoppuhr in der quantendynamischen Welt; durch Filterung lassen sich einzelne Attosekundenpulse gewinnen.
Zielbereiche der Attosekundenphysik
Hauptinteressen sind: die Atomphysik (Elektronenkorrelationseffekte, Photoemissionsverzögerungen, Ionisationstunneln), die Molekülphysik und -chemie (Elektronenbewegung in angeregten Zuständen, Elektronentransfer, lichtinduzierte Photofragmentierung) sowie die Festkörperphysik (Exziton-Dynamik in 2D-Materialien, Petahertz-Ladungsträgerbewegung, Spin-Dynamik in Ferromagneten). Langfristiges Ziel ist die gezielte Kontrolle elektronischer Dynamik in Echtzeit, also eine aktive Steuerung quantenmechanischer Prozesse.
Entwicklung und Auszeichnungen
Die Entwicklung wurde durch Fortschritte in der Lasertechnologie ermöglicht: Titan:Saphir-Laser (Ti:Sa) mit breitbandiger Abstimmbarkeit (1986), gechirpte Pulsverstärkung (CPA, 1988), spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation in gasgefüllten Hohlfasern (1996), dispersionskompensierende Spiegel (chirped mirrors, 1994) und die Stabilisierung des Trägerhüllen-Offsets (carrier-envelope phase, ab 2000). Ab 2004 entstanden isolierte Attosekunden-Lichtimpulse durch HHG in Edelgasen. Der derzeitige Weltrekord für den kürzesten erzeugten Lichtpuls liegt bei 43 Attosekunden. 2022 erhielten Anne L'Huillier, Paul Corkum und Ferenc Krausz den Wolf-Preis für Physik; 2023 folgte der Nobelpreis für Physik an L'Huillier, Krausz und Pierre Agostini für ihre experimentellen Methoden zur Erzeugung von Attosekunden-Lichtblitzen zur Erforschung der Elektronendynamik in Materie.
Warum Attosekunden? Die typische Elektronendynamik
Für ein Quantenteilchen in einer Überlagerung aus Grundzustand |0⟩ (Energie ε0) und erstem angeregtem Zustand |1⟩ (Energie ε1) lautet die Wellenfunktion: |Ψ(t)⟩ = c0·e^(-iε0t/ħ)|0⟩ + c1·e^(-iε1t/ħ)|1⟩. Nach der Bornschen Regel sind die Messwahrscheinlichkeiten |c0|² bzw. |c1|², und es gilt |c0|² + |c1|² = 1. Der Erwartungswert einer Observable P(t) = ⟨Ψ(t)|P̂|Ψ(t)⟩ enthält neben zeitunabhängigen Termen einen oszillierenden Interferenzterm mit der Frequenz ω = (ε1 − ε0)/ħ. Die Periodendauer ist Tc = 2πħ/(ε1 − ε0).
Zeitskala elektronischer Übergänge
Für typische elektronische Übergänge mit Energiedifferenzen von etwa 10 eV ergibt sich eine charakteristische Zeit von etwa 400 Attosekunden – genau die Überlagerungsperiode der 1s-2p-Zustände im Wasserstoffatom. Um P(t) mit hoher Auflösung zu messen, muss der Messprozess kürzer sein als die beobachtete Dynamik. Attosekunden-Lichtimpulse erfüllen diese Bedingung und decken Prozesse von wenigen Femtosekunden bis in den Attosekundenbereich ab.
