Quantenzuständen in neuem Energiebereich kontrolliert

Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Lukas Bruder von der Uni Freiburg ist es gelungen, hybride Elektron-Photon-Quantenzustände in Helium-Atomen zu erzeugen und diese direkt zu kontrollieren. Mit dem Freie-Elektronen-Laser FERMI in Triest erzeugten die Forscher hierfür speziell präparierte extrem ultraviolette Lichtpulse mit hoher Intensität. Die Kontrolle der Quantenzustände erreichten die Wissenschaftler durch eine neue Technik zur Laserpulsformung.

Solange Elektronen an ein Atom gebunden sind, können sie nur bestimmte Energien haben. Die Werte dieser Energieniveaus hängen zunächst von den Atomen selbst ab. Befindet sich ein Atom im Strahl eines sehr intensiven Lasers, kommt es allerdings zu Verschiebungen der Energieniveaus. Es entstehen hybride Photon-Elektron-Zustände. Diese treten bei Laserleistungen zwischen zehn und hundert Billionen Watt pro Quadratzentimeter auf. Um diese speziellen Quantenzustände erzeugen und kontrollieren zu können, sind deshalb Laserpulse notwendig, die eine solche Leistung innerhalb eines Zeitfensters von ein paar Billiardstel Sekunden erreichen.

Mit FERMI lässt sich Laserlicht im extrem ultravioletten Spektralbereich mit sehr hoher Intensität erzeugen. Diese extrem ultraviolette Strahlung hat eine Wellenläge von weniger als hundert Nanometern, was nötig ist, um die Elektronenzustände im Helium-Atom anzusprechen.

Um die Elektron-Photon-Zustände zu kontrollieren, verwendeten die Forscher Laserpulse, die je nach Szenario auseinanderliefen oder gestaucht wurden. Das erreichten sie, indem sie die zeitliche Verzögerung der verschiedenen Farbanteile des Lichts steuerten. Die Eigenschaften der Laserpulse wurden mithilfe eines Seed-Laser-Pulses kontrolliert, der die Emission des Freie-Elektronen-Lasers vorkonditioniert.

„Mit unserer Forschung konnten wir zum ersten Mal direkt die kurzlebigen Quantenzustände in einem Helium-Atom kontrollieren“, sagt Bruder. „Die von uns entwickelte Technik eröffnet ein neues Forschungsfeld: Es ergeben sich neue Möglichkeiten, Experimente mit Freie-Elektronen-Lasern deutlich effizienter und selektiver zu machen. Es können neue Einblicke in fundamentale Quantensysteme gewonnen werden, die mit sichtbarem Licht nicht erreichbar sind. Insbesondere könnten nun Methoden entwickelt werden, um chemische Reaktionen mit atomarer Präzision zu untersuchen oder gar zu steuern.“

U. Freiburg / RK