Neuer Rekord für kürzestes kontrollierbares Zeitintervall

Berliner Wissenschaftler erzeugen Lichtimpuls von nur 12 Attosekunden

Ultrakurzer Lichtimpuls
Ultrakurzer Lichtimpuls

Berlin - Licht ist eine elektromagnetische Welle mit sehr hoher Frequenz, die aus Schwingungen eines oszillierenden elektrischen Feldes besteht. Bei jeder Schwingung schwankt die Stärke des Feldes zwischen seinem Maximum und seinem Minimum, dieser Wechsel erfolgt extrem schnell: Er dauert nur etwa 1200 bis 2500 Attosekunden, eine Attosekunde entspricht dabei dem Milliardstel einer Milliardstelsekunde.

Mit Lasern lassen sich heute Lichtimpulse von 100 Attosekunden Dauer erzeugen. Während diesen ultrakurzen Impulsen führt das Licht nur einige wenige Schwingungen aus. Um die maximal mögliche Feldstärke zu erreichen, muss das Zentrum des Impulses mit einem Maximum des Feldes zusammenfallen. Impulse aus konventionellen Kurzpulslasern weisen allerdings starke Schwankungen in der Position der Feldmaxima relativ zum Impulszentrum auf und erreichen nicht stabil die maximale Feldstärke. Deshalb hatten Wissenschaftler in den letzten Jahren Verfahren entwickelt, mit denen die Lage der Feldmaxima, das heißt die Phase der Lichtschwingung, stabilisiert werden kann.

Forscher um Günter Steinmeyer am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin haben nun gemeinsam mit der Wiener Laserfirma Femtolasers einen Weg gefunden, um die Phasenlage der Lichtschwingung außerhalb des Lasers gezielt zu verändern. Dabei wird im Gegensatz zu den bisher angewandten Methoden nicht mehr aktiv in den Laser eingegriffen. Vielmehr erfolgt die Korrektur der Phasenlage außerhalb des Lasers in einem sogenannten akusto-optischen Frequenzschieber, der direkt ohne Regelung mit dem Messsignal gespeist wird. So lassen sich Schwankungen der Laserleistung und Impulsdauer vermeiden und eine hohe Langzeitstabilität erreichen. „Durch diese direkte Korrektur der Phasenlage werden viele Experimente in der Attosekundenphysik und der Frequenzmetrologie dramatisch vereinfacht“, ist Steinmeyer überzeugt.

Bisher war eine Stabilisierung der Lage der Feldmaxima im Bereich von etwa 100 Attosekunden möglich, was auch den kürzesten bisher erreichten Attosekundenimpulsen entspricht. Mit der neuen Methode gelang es den Wissenschaftlern, diese Begrenzung auf 12 Attosekunden zu reduzieren. Hiermit unterschritten sie erstmals die Schallmauer der atomaren Zeiteinheit (24 Attosekunden), welche die Größenordnung der schnellsten denkbaren Prozesse in der Atomhülle markiert. Das Verfahren aus Berlin eröffnet daher neue Möglichkeiten für die Erforschung schnellster in der Natur vorkommender Prozesse.