Attosekundenlaser: Bis ins Innere der Atomhülle

0,000 000 000 000 000 001 Sekunden: So unvorstellbar kurz ist eine Attosekunde. Wenn ein Lichtpuls die Vorgänge im Inneren eines Atoms abbilden soll, dann darf er nur wenige 100 oder sogar nur wenige 10 Attosekunden lang aufblitzen.

In diese Welt extrem kurzer Zeiten dringen jetzt Laserphysiker mit einer raffinierten Experimentiertechnik vor. Zu den führenden Attosekundenspezialisten gehören die Forscher um Ferenc Krausz, George Tsakiris und Klaus Witte vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching.

Eine Attosekunde ist der millionste Teil eines millionsten Teils einer millionstel Sekunde. Wie kann man sich eine so unfassbar kurze Zeit vorstellen? „Da muss ich erst mal überlegen“, antwortet Klaus Witte, Gruppenleiter am Max- Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Allmählich entstehen in der Gesprächsrunde mit drei hochkarätigen Laserphysikern Bilder, die eine Ahnung von dieser so fremden Welt ultrakurzer Phänomene vermitteln. Mit am Tisch sitzen Direktor Ferenc Krausz, der gerade mit seiner Arbeitsgruppe von der Technischen Universität Wien nach Garching umzieht, und George Tsakiris. Er gehört zu Klaus Wittes Attosekunden-Forschern und initiierte eine fruchtbare Zusammenarbeit mit Laserphysikern der Universität Kreta und des FORTH-Instituts in Heraklion. FORTH steht für Foundation for Research and Technology Hellas und ist das griechische Pendant der Max-Planck-Gesellschaft.

„Ein Lidschlag dauert ein paar Millisekunden (tausendstel Sekunden) und ein Blitz mehrere Mikrosekunden (millionstel Sekunden)“, sagt Klaus Witte. Und dann ist da noch die Femtosekunde, zu der die Laserforscher in den 1990er-Jahren vorstießen. Eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde, zu einer Minute verhält sie sich wie diese zum gesamten Alter des Universums von 14 Milliarden Jahren. Wäre unsere Wahrnehmung so schnell, dann würden wir das elektromagnetische Feld des Lichts schwingen sehen wie das Pendel einer Kuckucksuhr. Wenn man aus einer Femtosekunde nochmals ein Tausendstel herausschneidet, dann erhält man die gesuchte Attosekunde. „Man weiß, dass Licht innerhalb von einer Sekunde unseren Globus zehnmal umrunden kann“, sagt Krausz. Und: „In einer Attosekunde kommt das Licht dagegen weniger als ein millionstel Millimeter weit – es wird regelrecht eingefroren.“ In einem solch kurzen Moment schafft es das Licht gerade noch von einem Ende eines kleineren Moleküls zum anderen.

Licht scheint einzufrieren

Warum jagen die Laserphysiker diesem „Nichts“ überhaupt nach? Ist es pure Rekordlust? Nein, natürlich gibt es ein ernstes Motiv: Die ultrakurzen Laserpulse erlauben den Forschern einen direkten Einblick in das Verhalten der atomaren Grundbausteine unserer materiellen Welt. Damit stehen die Attosekunden-Jäger in einer Tradition der Moderne, die mit jeweils neuesten technischen Mitteln unsere Vorstellung von Zeit und Bewegung verändert hat. Witte verweist auf Eadweard Muybridge, der um die Wende zum 20. Jahrhundert die Bewegung von Menschen und Tieren erstmals in Fotoserien von hundertstel Sekunden Abstand zerlegen konnte.

Für Laserforscher war es ein ähnlich spektakulärer Schritt, als ihnen nach 1990 endlich routinemäßige Blitzaufnahmen im Femtosekunden- Bereich gelangen. So konnten sie erstmals die Bewegungen der Atome und Moleküle während schneller chemischer Reaktionen „fotografieren“. Leider ist die Femtosekunden- Spektroskopie noch viel zu langsam, um Elektronen zu erhaschen - aber die Elektronen bauen die chemischen Bindungen zwischen Atomen auf. Also entgingen den Forschern noch wichtige Informationen, die ihnen erst eine Attosekunden-Technik über das „Blitzen“ von Elektronen zugänglich machen würde. Sie würde auch erstmals Aufnahmen vom Inneren einer atomaren Elektronenhülle ermöglichen und so direkt zeigen, ob die heutige Vorstellung von Atomen richtig ist.

Grünes Pumplaserlicht

Doch wie produziert man so kurze Laserpulse? „Der Trick ist immer derselbe“, erklärt Witte, „man überlagert Lichtwellenzüge sehr unterschiedlicher Frequenzen“. Das setzt voraus, dass man Laserlicht mit sehr reinen Farben - also präzisen Wellenlängen oder Frequenzen - erzeugen kann. Verschiedenfarbige Laserlicht-Wellenzüge lassen sich dann geschickt zu einem einzigen, kurzen Femtosekundenpuls zusammenbauen. Das Verfahren erinnert an die gefürchteten Monsterwellen, die im Meer scheinbar aus dem Nichts auftauchen. Diese entstehen allerdings rein zufällig: Sehr selten laufen die vielen kurz- und langwelligen Dünungen des Wassers gerade so übereinander, dass nur Wellenberge aufeinander treffen und sich zu einem riesigen Wasserberg auftürmen.

Um ultrakurze Lichtpulse zu erzeugen, benutzen die Forscher speziell konstruierte Laser. Diese Femtosekundenlaser nutzen ein gesteuertes Monsterwellen-Prinzip, um sehr kurze und intensive Lichtpakete auszusenden. Krausz: „Moderne Titan-Saphir-Laser erreichen kürzeste Pulse von vier bis fünf Femtosekunden.“ Um damit Atome und Moleküle während einer chemischen Reaktion zu „fotografieren“, benutzen die Forscher meist die so genannte Pump-Probe-Technik. Dabei stößt ein erster Femtosekundenpuls die Reaktion an, kurze Zeit danach blitzt ein zweiter die molekularen Tanzpartner in Aktion. Die Methode funktioniert also wie ein Stroboskop. Durch Variation der Zeit zwischen den beiden Blitzen können die Wissenschaftler auf diese Weise den Verlauf der chemischen Reaktion in Bildserien festhalten - so wie einst Muybridge die Bewegung eines galoppierenden Pferds.

Soweit war die Lage in den 1990er- Jahren also klar: Die erprobte Femtosekunden-Technik musste zur Attosekunden-Technik erweitert werden. Doch daran bissen sich die Experimentalphysiker zunächst die Zähne aus. Um das zu verstehen, muss man sich einen Puls aus Laserlicht genauer anschauen. Obwohl er aus mehreren Wellenzügen geformt ist, lässt er sich mathematisch auch durch eine Trägerwelle mit einer einzigen Wellenlänge - oder Frequenz - beschreiben. Dieser Trägerwelle prägt dann eine einhüllende Kurve wie ein Stempel die Form eines bauchigen Lichtpakets auf. Allerdings darf das Paket nicht zu kurz sein: Nur wenn mindestens ein voller Schwingungszyklus der Trägerwelle hineinpasst, kann es als elektromagnetischer Puls durch den Raum wandern, und dieser Zyklus besteht aus einem Wellenberg und einem Wellental.

„Da nun ein Wellenzyklus von sichtbarem Licht - je nach Farbe - etwa ein bis zwei Femtosekunden dauert, ergibt sich daraus die Marschroute: Man muss kürzerwelliges Licht erzeugen, um Attosekundenpulse zu produzieren“, beschreibt Krausz die Situation der Laserphysiker zur Jahrtausendwende. Für die Attosekunden-Technologie mussten die Forscher also die Trägerfrequenz des Laserlichts aus dem sichtbaren Licht in die weiche Röntgenstrahlung hinaufschieben. Und hier lag ihr Problem: Bis heute gibt es keine Röntgenlaser, die so kurze Pulse ausstrahlen können.

Zum Glück bot ein physikalischer Effekt den Forschern einen eleganten Ausweg: Intensives Laserlicht kann Atome dazu anregen, viel kurzwelligeres Licht in sehr reinen Farben auszusenden. Immer wenn Licht mit Materie „wechselwirkt“, wie Physiker das nennen, dann sind die Elektronen beteiligt. Knallt ein extrem intensiver Laserpuls zum Beispiel auf die Edelgase Neon oder Krypton, dann setzt das deren Atome regelrecht unter Schock. „Die Elektronen werden vom Atomkern abgerissen und dann wieder zurückgeschleudert“, sagt Krausz. „Dadurch wird so ein Atom zu einer mikroskopischen Antenne, die einigermaßen intensives Licht ausstrahlt.“ Wenn man sich das Elektron mit dem Atomkern über eine Feder verbunden vorstellt, dann treibt der starke Laserpuls dieses Federsystem an seine Grenzen - wie die Federung eines Autos, das durch ein tiefes Schlagloch fährt.

Gleichmäßig geschüttelte Atome

Ausstrahlen von Röntgenlicht

Allerdings ist das Laserlicht eine sehr gleichmäßige Störung. Es schüttelt die Edelgasatome in einem sauberen Rhythmus durch. Das regt sie zum Senden von Licht an, das ebenso sauber schwingt. Die Frequenz dieses Lichts liegt nun bei der dreifachen, fünffachen, siebenfachen und entsprechend höheren Frequenz des Laserlichts. So geht es die Frequenzleiter hinauf bis in das extreme Ultraviolett und die weiche Röntgenstrahlung hinein.

Diese überlagerten „Harmonischen“ sind das Rohmaterial, aus dem eine raffinierte Filtertechnik den Attosekundenpuls formt. Dieser Puls enthält dann gerade noch einen Zyklus oder nur wenige Zyklen der Trägerwelle. Ferencz Krausz und seiner Wiener Gruppe gelang so im Jahr 2001 die Erzeugung von Röntgenpulsen, deren Länge mit nur 650 Attosekunden erstmals eine Femtosekunde unterschritt . Inzwischen hält die Gruppe, die gerade an das Max-Planck-Institut für Quantenoptik umzieht, den vorläufigen Rekord mit einer Pulslänge von nur 250 Attosekunden.

Das Röntgenlicht bringt einen weiteren Vorteil: Nur seine Photonen (Lichtquanten) haben genug Energie, um in das Innere der Elektronenhülle eines Atoms eindringen zu können. Das nutzen die Forscher in ihrem Pump-Probe-Verfahren aus. Der erste Schritt ist das Pumpen: Der Röntgenpuls rüttelt am Elektron in der innersten Elektronenschale des untersuchten Atoms – zum Beispiel Krypton – und schleudert es als "Photoelektron" aus dem Atom heraus. Der Puls ionisiert das Atom also, wie Naturwissenschaftler sagen. Ionen sind Atome mit zu wenig oder zu viel Elektronen und in der Chemie etwas völlig Normales; aber dort geht es nur um die sehr schwach gebundenen Elektronen der äußersten atomaren Hüllen.)

Der gewaltige Röntgen-Attosekundenpuls reißt jedoch ein Elektron aus dem Innersten des Atoms heraus und hinterlässt dort ein Loch. Was nun folgt, erinnert – zumindest bei größeren Atomen – an einen Apfelbaum in einer Windböe: Wie herunter polternde Äpfel rollt eine Lawine durch die Elektronenhülle des Atoms, um das Loch in der Tiefe wieder zu füllen. Allerdings fallen die Elektronen nicht nur wie Äpfel zu Boden, also zum Atomkern hin, sondern die freigesetzte Energie des Röntgen-Lichtquants schleudert auch manche von ihnen weit vom Kern weg. Dabei gelingt es noch einem zweiten Elektron, das Atom komplett zu verlassen: Die Emission dieses „Auger-Elektrons“ hält genau so lange an, bis das Elektronenloch im Atominneren wieder gefüllt ist.

Die Zeitspanne, während der Auger-Elektronen sich außerhalb der Atome aufhalten, enthält also eine entscheidende Information über die Vorgänge während des „Lochstopfens“ in der Elektronenhülle. Deshalb wollen die Physiker sie möglichst exakt stoppen. Darüber hinaus setzt die Elektronenlawine auch noch sehr viel Energie in Form weiterer Röntgenlichtquanten aus dem Atom frei. An diesem Prozess sind die Physiker ebenfalls sehr interessiert, denn dessen genauere Kenntnis könnte zur Entwicklung kompakter Röntgenlaser führen, die zum Beispiel in der Medizin und biologischen Forschung gut einsetzbar wären.

Die Emissionszeit des Auger-Elektrons können die Physiker allerdings nur messen, indem sie es dem Atom endgültig stehlen und in ein Gerät namens „Flugzeit-Elektronenspektrometer“ schieben. Dieses misst die Bewegungsenergie des Elektrons und liefert eine präzise Information über dessen Emissionszeit. Aber wie bringt man ein winziges Elektron in das Spektrometer? Das erledigt Schritt zwei der Pump-Probe-Methode, genauer gesagt, der Femtosekundenpuls aus sichtbarem Laserlicht. Er ist nämlich zusammen mit dem Röntgenpuls, den er aus den Edelgasatomen gerüttelt hat, weitergereist und steht nun am Ort des Geschehens zur Verfügung.

Elektronenfang mit Laserlicht

Direkte Vermessung der Länge des Röntgenpulses

Normalerweise fordert die Pump-Probe-Technik, dass der Femtosekundenpuls gegenüber dem Röntgenpuls gezielt verzögert wird, um das Geschehen im richtigen Moment zu erhaschen. Ein Auger-Elektron ist aber so schnell aus dem Atom gekickt, dass der Femtosekundenpuls gleichzeitig mit dem Röntgenpuls wirken muss, um es einzufangen. Dafür hat Krausz' Gruppe ein neues Verfahren entwickelt: Der Femtosekundenpuls nimmt dabei das Auger-Elektron gleich auf der Flanke seines anrollenden Trägerwellenbergs mit. Diese Flanke bringt aber nicht nur das Elektron ins Spektrometer. Die Art, wie sie es mit ihrer Steigung ankickt, übersetzt die Emissionszeit des Auger-Elektrons in einen exakten Energiewert.

„Lichtkontrollierte Schmierbildkamera“ tauften Krausz und seine Mitarbeiter das Verfahren nach einem eigentlich schon alten Messprinzip: Damit konnten Physiker des 19. Jahrhunderts erstmals die Zeitdauer des kurzen Lichtblitzes einer elektrischen Entladung messen. Damals lenkte ein schnell rotierender Spiegel den aufblitzenden Lichtstrahl auf einen Schirm und verschmierte ihn dort zu einem Fleck. Dessen Länge entsprach genau der Zeitdauer des Lichtblitzes. Die neue Attosekunden-Schmierbildkamera bildet die Emissionsdauer der Auger-Elektronen allerdings nicht auf einen Schirm, sondern auf eine Energieskala ab – und diese kann das Elektronenspektrometer sehr genau vermessen. Aus dem Resultat berechnen die Forscher dann, wie lange das Loch im Atom existierte und erfahren auf diese Weise etwas über sein Innenleben. 

Exakt vermessener Röntgenpuls

Das Verfahren funktioniert aber nur, wenn die Laserphysiker immer genau gleiche Röntgenpulse und Femtosekundenpulse herstellen. Ist das nicht der Fall, dann liefert das „Stroboskopieren“ eines Atoms gegewissermaßen einen Film mit völlig verwackelten Bildern. Das entscheidende Know-how für die Herstellung exakt wiederholbarer Lichtpulse lieferten Theodor W. Hänsch, derzeit Geschäftsführender Direktor am Garchinger Max-Planck-Institut, und Thomas Udem. Sie hatten mit ihrer Gruppe vor einigen Jahren ein vollkommen neues Verfahren zur präzisen Vermessung von Lichtfrequenzen entwickelt. Dessen Übertragung in den Attosekundenbereich erlaubte erstmals sauber synchronisierte Aufnahmen aus dem Atominneren.

Ebenso wichtig ist für die Physiker, dass sie die Länge des Attosekundenpulses genau kennen. Für dieses schwierige Problem haben Klaus Witte und George Tsakiris in ihrer deutsch-griechischen Kooperation ein besonders elegantes Verfahren entwickelt: Es kann die Pulslänge sogar ganz direkt bestimmen. Dabei vergleicht es gewissermaßen den Puls mit sich selbst und gewinnt daraus alle relevanten Informationen. Im Labor deutet Tsakiris auf ein metallenes Vakuumgehäuse: „Hier drinnen befindet sich der wichtigste Teil.“ Das ist ein zweiteiliger, extrem präziser Spiegel, der den vorgefilterten Röntgenpuls aufsplittet. Ein Teil des Spiegels ist gegen den anderen ultrafein und stufenlos verschiebbar: So lässt sich der Lichtweg des einen Teilpulses gegenüber dem anderen um wenige Nanometer (milliardstel Meter) verlängern. Nach dieser Verschiebung treffen die Pulsteile auf Heliumatome und schlagen aus ihnen in einem "Zweiphotonen-Prozess" Elektronen heraus: Dazu müssen immer zwei Photonen das Atom gleichzeitig treffen.

Europa hat die Nase vorn

Dieser Prozess ist so interessant, weil bei ihm die Zahl der ionisierten Atome von der Intensität des Röntgenpulses quadratisch abhängt. Ein Zählen dieser Ionen gibt also ein exaktes Maß für die Pulsdauer. Verschiebt der Spiegel nun einen Teil des Pulses gegen den zweiten, dann steigt und sinkt die Zahl der registrierten Heliumionen in einer Sinuskurve. Das passiert aber nur, solange sich die beiden Pulsteile gerade noch überlappen. Verschwindet der Sinus, dann sind die Pulsteile zu weit gegeneinander verschoben. Daraus können die Forscher die Pulslänge direkt ermitteln.

„Die Messtechnik steht also zur Verfügung, und wir können sie standardmäßig einsetzen“, bilanziert Krausz: „Wir sind drin im Attosekundenbereich und können nun die dortigen Phänomene erforschen.“ Die drei Laserphysiker haben klare Vorstellungen davon, wohin die Reise in ihren Garchinger Labors nun gehen wird: Mit noch stärkeren und kürzeren Attosekundenpulsen wollen sie das Innere der Atome präzise vermessen. Vielleicht werden wir bald erste Schnappschüsse aus dieser fremden Welt kleinster Dimensionen und kürzester Zeiten bewundern können. Allen ist die Aufbruchsstimmung anzumerken - und Stolz schwingt mit, als Ferenc Krausz sagt: „In der Attosekunden-Forschung hat Europa weltweit die Nase vorn. Nur wenige Labors wie das in Garching können die Attosekunden-Spektroskopie als Standardverfahren einsetzen, und nun können wir uns die Rosinen rauspicken.“