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Mit Laserstrahlen das elektronische „Tal des Todes“ überwinden?

Elektronen erstmals in Doppelzustand versetzt

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Kontrollverlust im „Tal des Todes“

Die Physiker probierten verschiedene Laserintensitäten aus, um die freigesetzten Elektronen zu regelmäßigen Oszillationen anzuregen. Dabei machten sie eine überraschende Entdeckung: „Entgegen der natürlichen Erwartungen – dass ein Laser ein Elektron umso eher freisetzen sollte, je stärker er ist – stellten wir fest, dass es eine bestimmte Grenze für die Intensität gibt, ab der wir ein Atom nicht mehr ionisieren können”, bemerkt Misha Ivanov. „Oberhalb dieser Grenze können wir das Elektron wieder kontrollieren.” Die Forscher tauften diese Grenze Death Valley, also Tal des Todes, nach dem Vorschlag von Professor Joe Eberly von der University of Rochester. In diesem Bereich verloren sie jede Kontrolle über das Elektron.

Bestätigung der alten Hypothese könnte Laser-Theorie revolutionieren

Indem die Forscher das Elektron in einen Doppelzustand versetzten, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist, konnten sie dessen Schwingungen nach Wunsch kontrollieren. Das ermöglicht es auch, die Elektronenstruktur des Atoms gezielt zu beeinflussen. Nach einigen Justierungen gelang es den Physikern von UNIGE und MBI dann zum ersten Mal, ein Elektron aus einem Atomkern zu befreien und zugleich in dessen Nähe in einem Laserfeld festzusetzen, so wie Theoretiker Henneberg vorgeschlagen hatte.

„Wir haben ein Laserfeld mit einer Intensität von 100 Billionen Watt pro Quadratzentimeter erzeugt und konnten so das ‚Tal des Todes‘ überwinden und die Elektronen in der Nähe ihres Atomkerns festhalten, und zwar über ein Periode normaler Oszillationen im elektrischen Feld des Lasers”, sagt Jean-Pierre Wolf. Zum Vergleich: Die Intensität der Sonnenstrahlen auf der Erde liegt bei nur rund 100 Watt pro Quadratmeter.

„Das gibt uns die Möglichkeit, durch die Bestrahlung mit passendem Laserlicht neuartige Atomzustände zu erzeugen, deren Elektronen ganz neue Energieniveaus aufweisen”, erklärt Wolf. „Früher hielt man es für unmöglich, solche Doppelzustände zu erzeugen, und jetzt haben wir das Gegenteil bewiesen. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass Elektronen in solchen Zuständen Licht verstärken können. Das wird eine fundamentale Rolle bei neuen Theorien und Vorhersagen spielen, die die Ausbreitung starker Laserstrahlen in Gasen beschreiben, etwa in Luft”, schließt Wolf.

Orginalpublikation: Mary Matthews, Felipe Morales, Alexander Patas, Albrecht Lindinger, Julien Gateau, Nicolas Berti, Sylvain Hermelin, Jérôme Kasparian, Maria Richter, Timm Bredtmann, Olga Smirnova, Jean-Pierre Wolf and Misha Ivanov: Amplification of intense light fields by nearly free electrons. Nature Physics (2018), DOI: 10.1038/s41567-018-0105-0

* Anja Wirsing: Forschungsverbund Berlin, 12489 Berlin

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