Ultrakurze Laserblitze – der Mikrokosmos in extremer Zeitlupe
Wie entwickelt sich ein Quantensystem in der Zeit und können wir diese Bewegung sichtbar machen oder gar kontrollieren? Dieser alte Wunschtraum der Physiker seit den Anfängen der Quantenmechanik ist heute ein reales und wachsendes Forschungsgebiet. Die Zeitskalen für die hier ablaufenden Vorgänge sind extrem kurz: In chemischen Reaktionen verlagern sich Atome innerhalb von 10 bis einigen 100 Femtosekunden (1 fs = 10–15 s); noch schneller sind die Elektronen, welche die chemische Bindung vermitteln: hier sind Attosekunden (1 as = 10–18 s) das charakteristische Zeitmaß.
Zeitaufgelöste Experimente beruhen auf ultrakurzen Laserpulsen, mit denen man die atomare oder molekulare Dynamik extrem präzise steuern kann. Elektronen werden durch ein starkes Laserfeld von einem Atom getrennt und hin- und hergetrieben, kehren zu ihm zurück und sondieren dabei seine Struktur. Die Wellennatur des Elektrons erzeugt Interferenzeffekte wie in einem Hologramm, woraus sich die zeitabhängige Wechselwirkung mit den restlichen Elektronen des Atoms ergibt.
Mit einer „Pump-Probe“-Anordnung lassen sich Molekülbewegungen wie Schwingung und Rotation verfolgen: der erste „Pump“-Laserpuls präpariert das System in der gewünschten Weise und startet die zeitliche Entwicklung, die dann der zweite Laserpuls abtastet. Die Beobachtung chemischer Reaktionen in Echtzeit mit Femtosekunden-Auflösung ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet. In Kombination mit Reaktionsmikroskopen gelang es, die extrem kurze Zeitspanne zu bestimmen, in der sich Atome innerhalb eines Moleküls umlagern.
Die Beobachtung der Elektronenbewegung benötigt noch kürzere Lichtblitze in der Größenordnung von Attosekunden. Eine Möglichkeit ist die Erzeugung hoher Harmonischer der Wellenlänge eines Femtosekunden-Lasers. Damit erreicht man heute die geforderten Pulsdauern von unter 100 as in einem Wellenlängenbereich von wenigen 10 nm. Einen Prototyp für die korrelierte Bewegung von Elektronen stellt das Helium-Atom dar. Durch Beschuss mit Ultraviolett-Attosekunden-Pulsen lassen sich beide Elektronen gleichzeitig anregen. Das so präparierte Zwei-Elektronen-Wellenpaket lässt sich mit einem weiteren Femtosekunden-Laserpuls zeitabhängig abtasten und rechnerisch anhand bekannter statischer Wellenfunktionen rekonstruieren. Die Laserpulse können den elektronischen „Paartanz“ sogar steuern. Eine gezielte Manipulation der Elektronenpaare in Molekülen könnte eines Tages die Chemie beeinflussen und bisher unmögliche Synthesen ermöglichen.
Spektroskopie – die Messung von Absorption oder Emission von Licht, das mit Materie wechselwirkt – ist eines der wichtigsten Werkzeuge der Physik. Bei resonanter Wechselwirkung entstehen Linienspektren. Unter bestimmten Bedingungen interferieren diese mit einem kontinuierlichen Hintergrund, sodass asymmetrische Linienformen auftauchen („Fano-Profile”). Dies entspricht der Überlagerung gekoppelter Schwingungen. Mit ultrakurzen Laserpulsen kann man die zeitliche Entwicklung und damit die Quanteninterferenz kontrollieren, um z. B. eine spektrale Absorptions- in eine Emissionslinie umzuwandeln und die ultraschnelle Bildung einer Fano-Resonanz auf der Femtosekunden-Zeitskala aufzulösen.
Reaktionsmikroskope und Lasersysteme
Reaktionsmikroskope – die „Blasenkammern der Atom- und Molekülphysik“ – wurden am MPIK entwickelt und werden ständig weiter verbessert. Ultrastarke Laserpulse oder ein Teilchenstrahl zerbrechen einfache Moleküle. Elektrische und magnetische Felder fangen die Fragment-Ionen und Elektronen ein, und großflächige zeit- und ortsempfindliche Detektoren registrieren sie. Aus den rekonstruierten Flugbahnen der Fragmente lassen sich ihre vollständigen Impulsvektoren ableiten und so auf Geometrie und Dynamik der Moleküle vor deren Zerbrechen schließen („kinematisch vollständige Experimente“). Verschiedene Reaktionsmikroskope sind im Haus und am Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg aufgebaut. Für den ultrakalten Speicherring CSR ist derzeit ein spezielles Reaktionsmikroskop in Bau. Es wird eine Schlüsselrolle spielen für die weltweit einzigartigen Möglichkeiten der Untersuchung von langsamen und kalten Ionen im CSR.
In den Laserlaboren des Instituts stehen phasenkontrollierte Laserpulse von 5 Femtosekunden Dauer und Intensitäten bis zu 1016 W/cm2 für Experimente zur Verfügung. Zur Erzeugung noch kürzerer Pulse von einigen Attosekunden Dauer kommen spezielle nichtlineare optische Methoden zum Einsatz. Die hohe harmonische, kohärente Strahlung im extremen UV-Bereich wird mit den breitbandigen Infrarot-Pulsen eines Ti:Saphir-Lasers kombiniert eingesetzt. Um gasförmige Proben interferometrisch zu untersuchen, lassen sich einzelne und auch doppelte und dreifache Attosekundenpulse erzeugen. Für Pump-Probe-Messungen kann die Zeitverzögerung zwischen zwei Pulsen auf die Attosekunde exakt eingestellt werden. In Kombination mit Spektroskopie oder abbildenden Detektoren ist es so möglich, die Quantenbewegungen von Kernen und Elektronen bei chemischen Reaktionen direkt und zeitaufgelöst zu beobachten und auch zu kontrollieren.
Atome und Moleküle in Kollision – Billardspiel mit Quantenkugeln
Korrelierte Quantendynamik ist aktuell eine der großen Herausforderungen für die Forschung. Wissenschaftler am MPIK erforschen hierzu die grundlegenden Prinzipien, ausgehend von einer begrenzten Anzahl weniger wechselwirkender Teilchen in Atomen und Molekülen bis hin zu komplexeren Systemen wie Clustern oder sogar Biomolekülen. Der Beschuss mit geladenen Teilchen (Elektronen, Ionen) eröffnet einen Zugang zu diesen Quantensystemen. Am MPIK entwickelte neuartige multi-koinzidente Abbildungstechniken liefern umfassende Informationen zur Mehrteilchendynamik und erlauben einen Test der Theorien für derartige Reaktionen. Elektronenstöße spielen eine wichtige Rolle in der Umwelt, z. B. in der oberen Atmosphäre und im interstellaren Raum, wie auch in technischen Plasmen und in der Strahlenbiologie. Im Stoß kann ein Molekül in mehrere Bruchstücke zerbrechen; dies spielt in biologischem Gewebe eine entscheidende Rolle, da beispielsweise das DNS-Molekül verändert oder zerstört werden kann.
Ultrakalte Dynamik – exotische Quantengase erforschen
Durch Laserkühlung kann man sehr kalte atomare Gase mit Quanteneigenschaften erzeugen. Lithiumatome verhalten sich, je nachdem wie ihre gegenseitige Wechselwirkung gewählt wird, als Bosonen oder als Fermionen. Im bosonischen Regime bilden sich schwach gebundene Atompaare, deren gegenseitiger Abstand experimentell kontrollierbar ist. Mit einem Reaktionsmikroskop kann man diese exotische Materieform untersuchen. Durch Ionisation aller Atome in gebunden Paaren oder Mehrteilchensystemen und die Bestimmung aller Ionenimpulse lässt sich auf die anfängliche räumliche Konfiguration der Teilchen schließen. Die Ionisation erfolgt dabei praktisch instantan durch einen intensiven Femtosekunden-gepulsten Laserstrahl. Interessant ist auch, ob und wie der Quantenzustand des Gases die Ionisationsdynamik beeinflusst.
Der ultrakalte Speicherring
Im weltweit einmaligen ultrakalten Speicherring CSR am MPIK ist es möglich, kalte Molekülionen jeglicher Größe und hochgeladene Ionen fast völlig ohne Einfluss der Umgebung zu untersuchen. Das wird durch eine rein elektrostatische Ionenoptik, extrem niedrigen Druck und eine Temperatur von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt erreicht. Spezielle Ionenquellen erzeugen die Ionen und speisen sie mit bis zu 300 kV Hochspannung in den Ring ein. Außerdem ist der CSR mit einer Apparatur zum Einschießen von neutralen Atomstrahlen gekoppelt. Ein Elektronenkühler komprimiert den gespeicherten Ionenstrahl, und die Elektronen stehen als Reaktionspartner zur Verfügung. Empfindliche Teilchendetektoren in den Ecken weisen auch neutrale Reaktionsprodukte nach. Für spektroskopische Messungen können Laserstrahlen mit dem gespeicherten Ionenstrahl gekreuzt werden. In enger Zusammenarbeit haben Physiker, Konstrukteure und Feinmechaniker des MPIK das innovative mechanische Konzept entwickelt und realisiert.
Laborastrophysik – Chemie des Weltraums
Die Chemie des interstellaren Raumes ist eines der aktivsten Forschungsfelder der Astronomie. Moderne Teleskope haben eine Vielfalt komplexer Moleküle in interstellaren Nebeln und protoplanetaren Scheiben entdeckt. Die Prozesse, die – oft mit Hilfe von Ionen – zur Entstehung großer organischer Moleküle unter den extremen Bedingungen des kalten Weltraums führen, werfen allerdings immer noch Rätsel auf. Zudem wird vermutet, dass die Entstehung des Lebens auf der Erde eng verknüpft ist mit der Bildung biologisch relevanter Moleküle im Weltraum. Die Suche nach interstellarem Wasser und präbiotischen Verbindungen ist daher das Ziel großer internationaler Projekte.
Diese Gasphasen-Chemie basiert auf Ionen und Radikalen, die in Stößen mit Photonen und kalten Elektronen entstehen. Dabei spielt das H3+-Molekülion eine Schlüsselrolle. Den Aufbruch von Molekülen nach Einfangen eines Elektrons („dissoziative Rekombination“) kann man in Speicherringen gezielt untersuchen. Im ultrakalten Speicherring CSR sind Bedingungen erreichbar, die interstellaren Temperaturen entsprechen und auch die Rotation von Molekülionen quasi einfrieren lassen.
Die Größe der interessanten positiven Ionen reicht von kleinen Atomen und Molekülen bis zu organischen Verbindungen. Negativ geladene Ionen (Anionen) sind ebenfalls interessant, weil sie als wichtige Quelle langsamer Elektronen fungieren, indem sie bei entsprechender innerer Anregung (Schwingung) Elektronen regelrecht „abdampfen“ können. Kollisionen mit neutralen Atomen und Molekülen sind gleichfalls von großer Bedeutung für die Astrochemie. Eine Kollisionsstrecke für Neutralstrahlen im CSR, wo Atome im Grundzustand mit kalten Molekülionen reagieren, gibt erstmals Zugang zu dieser noch weitgehend unerforschten Klasse von Prozessen unter echten Weltraumbedingungen.
