English China
Suchen

Für Diagnostik und Materialforschung Winziger Kristall als Fotobox für Lichtpulse

Autor / Redakteur: Florian Aigner* / Christian Lüttmann

Ein Foto gelingt nur mit ausreichender Belichtung. Doch wie macht man ein Bild vom Licht selbst? Physiker aus München und Wien haben dazu eine bereits bekannte Methode weiterentwickelt und miniaturisiert. Damit lässt sich nun die Form von Lichtpulsen mit deutlich weniger apparativem Aufwand messen, was u.a. zur Charakterisierung neuer Materialien genutzt werden kann.

Firmen zum Thema

Zwei Lichtpulse treffen auf Siliziumdioxid und erzeugen einen Stromfluss. Dieser lässt Rückschlüsse auf die Form des ersten Lichtpulses zu.
Zwei Lichtpulse treffen auf Siliziumdioxid und erzeugen einen Stromfluss. Dieser lässt Rückschlüsse auf die Form des ersten Lichtpulses zu.
(Bild: TU Wien)

München, Wien/Österreich – Mit modernen Lasern lassen sich heute extrem kurze Lichtpulse in der Größenordnung von Femtosekunden (10-15 Sekunden) erzeugen, mit denen man dann Materialien untersuchen oder sogar medizinische Diagnosen erstellen kann. Dafür ist es allerdings wichtig, den genauen zeitlichen Verlauf der Laser-Lichtwellen zu messen. Bisher benötigte man dafür einen großen, komplizierten Versuchsaufbau. Nun gelingt das auch in einem winzigen Kristall mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter – durch eine Kooperation des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, der Ludwig-Maximilians-Universität München und der TU Wien. Die neue Methode soll helfen, wichtige Details über die Wechselwirkung von Licht und Materie zu klären.

Den Forschern zufolge eröffnen sich viele interessante Anwendungsmöglichkeiten: Neuartige Materialien sollten sich mit der neuen Methode präzise charakterisieren lassen, man kann fundamentale physikalische Fragen rund um die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie beantworten, und sogar für die Analyse komplexer Moleküle ist die neue Methode interessant – etwa um Krankheiten schon durch die Untersuchung von winzigen Blutproben zuverlässig und rasch aufspüren zu können.

Wie man mit Elektronen Licht anschaut

Das Besondere der neuen Messtechnik ist, dass sie Lichtpulse nicht wie sonst üblich in einem Gas, sondern in einem Festkörper misst. „Im Gas muss man Atome ionisieren, um freie Elektronen zur Verfügung zu haben. In einem Festkörper genügt es, den Elektronen ausreichend viel Energie mitzugeben, damit sie sich durch den Laser im Festkörper bewegen können“, erklärt Isabella Floss von der TU Wien.

Dazu verwendet man winzige Kristalle aus Siliziumdioxid, mit einem Durchmesser von wenigen hundert Mikrometern. Sie werden von zwei verschiedenen Laserpulsen getroffen: Zuerst der Puls, der untersucht werden soll. Er darf eine beliebige Wellenlänge im Bereich von ultraviolettem Licht über sichtbare Farben bis hin zum langwelligen Infrarot haben. Während dieser Laserpuls den Kristall durchdringt, feuert man einen weiteren Infrarot-Puls auf den Kristall. „Dieser zweite Puls ist so stark, dass er durch nichtlineare Effekte unbewegliche Elektronen im Kristall auf ein höheres Energieniveau anhebt – die Elektronen werden beweglich. Und zwar zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt, den man sehr genau einstellen kann“, erklärt Prof. Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. Der elektrische Strom, der dadurch entsteht, lässt sich dann direkt messen. Dieses Signal gibt genau Auskunft über die Form des Lichtpulses.

Dank der Messung im Feststoff entfallen aufwändige, große Versuchsaufbauten mit Vakuumanlagen, wie sie bei herkömmlichen Methoden nötig sind. Das vereinfacht die Experimente erheblich.

Originalpublikation:

S. Sederberg et al. Attosecond optoelectronic field measurement in solids, Nature Communications 11, 430 (2020).; DOI: 10.1038/s41467-019-14268-x

* F. Aigner, Technische Universität Wien, 1040 Wien/Österreich

(ID:46337175)