Attosekundenphysik

Die Attosekundenphysik, auch Attophysik oder allgemein Attosekundenwissenschaft genannt, ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit Phänomenen der Licht-Materie-Wechselwirkung beschäftigt, wobei Attosekundenpulse (10−18 s) von Photonen verwendet werden, um dynamische Prozesse in der Materie mit zuvor unerreichter Zeitauflösung zu analysieren. Die Attosekundenphysik hat eine sehr hohe zeitliche und räumliche Auflösung und erlaubt die Beobachtung ultraschneller Prozesse der Natur. In der Zeitdauer 10−18 s ordnen sich Elektronen innerhalb von Atomen neu an, in dieser Zeit formen sich chemische Bindungen oder brechen. Die Attosekundenphysik fungiert im übertragenen Sinn wie ein Mikroskop für die Zeit und erhöht das Verständnis der Quantenwelt.

In der Attosekundenphysik werden hauptsächlich spektroskopische Anrege-Abfrage-Methoden (englisch pump-probe experiment) eingesetzt, um den jeweiligen physikalischen Prozess zu untersuchen. Aufgrund der Komplexität dieses Forschungsgebietes ist für die Interpretation der Daten aus Attosekunden-Experimenten in der Regel ein enges Zusammenspiel zwischen modernsten experimentellen Aufbauten und fortgeschrittenen theoretischen Werkzeugen erforderlich.

Methodisch basiert alles auf der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG, englisch high harmonic generation). Diese entstehen, wenn extrem intensives Laserlicht auf Atome trifft: Die Elektronen in den Atomen werden für einen winzigen Moment herausgerissen, vom Lichtfeld beschleunigt und dann wieder zurück ins Atom geschleudert. Dabei geben die Atome ultrakurze Lichtimpulse ab – das sind die sogenannten hohen Harmonischen.

Diese Lichtblitze sind besonders energiereich. Ihre Frequenz ist ein ungerades Vielfaches der ursprünglichen Laserfrequenz und reicht bis in den ultravioletten, extrem ultravioletten (EUV) (XUV, englisch extreme ultra violet) oder sogar den Röntgenbereich. Weil diese Pulse extrem kurz sind – oft nur wenige Attosekunden lang –, werden sie auch Attosekunden-Lichtblitze genannt. Es handelt sich um kohärente, extrem kurze EUV-Blitze, die als Stoppuhr in der quantendynamischen Welt fungieren. Durch geeignete Filterung lassen sich einzelne Attosekunden-Lichtblitze erzeugen.

Die Hauptinteressen der Attosekundenphysik sind:

  1. Atomphysik: Untersuchung von Elektronenkorrelationseffekten, Photoemissionsverzögerungen und Ionisationstunneln.
  2. Molekülphysik und Molekülchemie: Rolle der Elektronenbewegung in angeregten molekularen Zuständen durch Elektronentransfer, lichtinduzierte Photofragmentierung und lichtinduzierte Elektronentransferprozesse.
  3. Festkörperphysik: Untersuchung der Exziton-Dynamik in fortgeschrittenen 2D-Materialien, Petahertz-Ladungsträgerbewegung in Festkörpern und Spin-Dynamik in ferromagnetischen Materialien.

Die Attosekundenphysik verfolgt das Ziel, die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern mit bislang unerreichter zeitlicher Auflösung sichtbar zu machen. Eine der langfristigen Perspektiven dieser Forschung ist die gezielte Kontrolle elektronischer Dynamik in Echtzeit – ein entscheidender Schritt hin zu einer aktiven Steuerung quantenmechanischer Prozesse in der Materie.

Die Entwicklung der Attosekundenphysik wurde durch eine Reihe bahnbrechender Fortschritte in der Lasertechnologie ermöglicht: die Einführung breitbandig abstimmbarer Titan:Saphir-Laser (Ti:Sa) im Jahr 1986, die Technik der gechirpten Pulsverstärkung (CPA, englisch Chirped Pulse Amplification) im Jahr 1988, die spektrale Verbreiterung hochenergetischer Femtosekundenpulse – beispielsweise durch Selbstphasenmodulation in gasgefüllten Hohlfasern (1996), die Einführung dispersionskompensierender Spiegeltechnologien (chirped mirrors) im Jahr 1994, sowie die Stabilisierung des Trägerhüllen-Offsets (englisch carrier-envelope phase stabilization) ab dem Jahr 2000. Diese Entwicklungen führten ab 2004 zur Erzeugung isolierter Attosekunden-Lichtimpulse – generiert durch die Erzeugung hoher Harmonischer in Edelgasen als nichtlinearer Prozess und markierten den Beginn des eigenständigen Forschungsfeldes der Attosekundenphysik.

Der derzeitige Weltrekord für den kürzesten von Menschen erzeugten Lichtpuls liegt bei 43 Attosekunden.

Im Jahr 2022 erhielten Anne L'Huillier, Paul Corkum und Ferenc Krausz den Wolf-Preis für Physik für ihre bahnbrechenden Beiträge zur ultraschnellen Laserwissenschaft und Attosekundenphysik. Es folgte der Nobelpreis für Physik 2023, mit dem L'Huillier, Krausz und Pierre Agostini für ihre experimentellen Methoden zur Erzeugung von Attosekunden-Lichtblitzen zur Erforschung der Elektronendynamik in Materie ausgezeichnet wurden.

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