Der Nobelpreis für Physik 2023 wurde bekannt gegeben! Die Geschichte der Attosekundenpulse verstehen

Der Nobelpreis für Physik 2023 wurde an drei Physiker auf dem Gebiet der Attosekundenlaser verliehen, die uns neue Werkzeuge zur Erforschung der mikroskopischen Welt gebracht haben. Wie durchbricht die Menschheit Schritt für Schritt den kürzesten Puls? Werfen wir einen Blick auf seine Vergangenheit und Gegenwart.

Licht ist eines der wichtigsten physikalischen Phänomene und ein Lichtblitz kann als Lichtimpuls beschrieben werden. Bei kohärentem Licht gilt: Da die darin enthaltenen Spektralkomponenten (Licht unterschiedlicher Farben) kohärent sind und die Phasendifferenz jeder Komponente fest ist, können durch Pulsmodulation und -kompression kohärente Lichtpulse mit extrem kurzer Dauer erzeugt werden. Dadurch werden die Beschränkungen mechanischer und elektronischer Verschlüsse durchbrochen und es wird zu einem echten Träger für die Schaffung der ultimativen physikalischen Zeitskala.

Im Jahr 1960 baute Theodore Harold „Ted“ Maiman (1927–2007), ein Physiker am Hughes Laboratory, einer Tochtergesellschaft der Hughes Aircraft Company in den USA, die weltweit erste kohärente Lichtquelle – einen blitzlampengepumpten Rubinlaser (chromdotierter Aluminiumoxidkristall) mit einer Ausgangswellenlänge von 694,3 Nanometern. Dies ist der einfachste Parallel-Plane-Cavity-Einzelfrequenzlaser (monochromatisch) mit einer Pulsbreite im Mikrosekundenbereich. Die Bedeutung dieses Lasers liegt darin, dass es sich um eine völlig neue Lichtquelle handelt, die auf einem völlig anderen physikalischen Prozess basiert und über eine Kohärenz verfügt, die Edisons Wolframglühlampe nicht hatte. Obwohl Laser bei ihrem ersten Auftreten als „Lösung auf der Suche nach einem Problem“ bezeichnet wurden, waren sie bald allgegenwärtig, von der wissenschaftlichen Forschung, der Industrie und dem Militär bis hin zu Kommunikation, Unterhaltung und Kunst und unserem täglichen Leben – in Ihrem DVD-Player steckt mindestens ein Laser, und auch das Gerät, das an der Supermarktkasse die Strichcodes der Produkte scannt, ist ein Laser.

Seit es Laser gibt, sind die Menschen bestrebt, deren Impulse zu verkürzen. Einerseits lag es am Interesse an der Untersuchung ultraschneller Phänomene, andererseits am Streben nach hoher Spitzenleistung. Bei gleicher Durchschnittsleistung ist die Spitzenleistung umso höher, je kürzer der Impuls ist. In den 1970er Jahren wurden Laserpulsbreiten im Pikosekundenbereich erreicht. In den 1980er Jahren gelang es mit der Einführung von Titansaphir als Lasermedium sowie Technologien wie der Kerr-Linsen-Modenkopplung und der Chirp-Pulsverstärkung nicht nur, Femtosekunden-Laserpulse zu erzeugen, sondern auch die Pulsenergie effektiv zu verstärken. Bislang können Titan-Saphir-Oszillatoren Ausgangssignale mit Impulsbreiten von weniger als 5 Femtosekunden erzeugen, während Verstärker Impulse mit Energien von über 330 Joule ausgeben können, die auf eine Impulsbreite von 21 Femtosekunden komprimiert sind, und Spitzenleistungen von über 10 Petawatt (Petawatt = 1015 Watt) aufweisen (Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, 2017). Im Vergleich dazu beträgt die gesamte installierte Kapazität (maximale Ausgangsleistung) des Drei-Schluchten-Wasserkraftwerks 22,4 Millionen Kilowatt (2,24 × 1010 Watt). Das heißt, die Spitzenleistung des Lasers kann etwa das 50.000-fache der maximalen Ausgangsleistung des Drei-Schluchten-Wasserkraftwerks betragen.

Mit solchen ultrakurzen Laserpulsen steht uns eine Taschenlampe zur Verfügung, mit der wir Teilchen in der mikroskopischen Welt beobachten können. Wenn wir mithilfe eines Detektors eine Reihe von Phänomenen aufzeichnen, die dem mikroskopischen Zustand oder der Teilchenbewegung jedes Impulses in einer Reihe von Laserimpulsen entsprechen, wie etwa Spektrum, Absorption, Fluoreszenz, Teilchenimpuls oder Energie, ist das gleichbedeutend damit, eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsfotos davon aufzunehmen. Mithilfe dieser Fotos können wir Veränderungen mikroskopischer Zustände oder Teilchenbewegungen beobachten und so Phänomene in der mikroskopischen Welt untersuchen. Auf der Zeitskala entsprechen die Schwingungen des Kristallgitters, die chemischen Reaktionen oder die Rotation von Molekülen im Kristall Pikosekunden oder länger, was mit Pikosekunden-Laserpulsen beobachtet werden kann; die Schwingung chemischer Bindungen oder kleiner Moleküle erfolgt im Femtosekundenbereich; und schnellere Elektronenbewegungen erfordern Attosekundenpulse zur Auflösung. Entlang dieser Entwicklung entwickelte sich die moderne ultraschnelle Optik auf Basis gepulster Laser.

Abbildung 1: Zeitskala der mikroskopischen Bewegung.

Die meisten physikalischen (und chemischen) Phänomene, denen wir in unserem täglichen Leben begegnen, basieren, mit Ausnahme der Wirkung der Schwerkraft, auf elektromagnetischen Wechselwirkungen. Zum Beispiel Elektron-Phonon-Streuung, Plasmonen und supraleitende Phasenübergänge in Festkörpern; Elektronenübergänge und Ionisierung in Atomen und Molekülen; das Aufbrechen und die Bildung chemischer Bindungen bei chemischen und biologischen Reaktionen; insbesondere die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, wie der photoelektrische Effekt, verschiedene Absorptions- und Strahlungsarten, einschließlich des Lasers selbst; und so weiter. Die ultimative physikalische Grundlage dieser Phänomene ist die Wechselwirkung und Bewegung geladener Teilchen. Elektronen haben die geringste Masse unter den gewöhnlich geladenen Teilchen, drei Größenordnungen kleiner als Protonen oder Atomkerne. Daher ist die Reaktionsgeschwindigkeit von Elektronen bei physikalischen Prozessen viel schneller als die von Atomen, Molekülen und Gitterstrukturen. Aus diesem Grund sind Elektronenbewegung und Elektronenkorrelation die grundlegendsten und wichtigsten physikalischen Prozesse in Mehrelektronensystemen. Die Gitter- und Molekülbewegungen, die wir im Pikosekunden- oder Femtosekundenbereich beobachten, treten tatsächlich nach der Bewegung der Elektronen auf und sind das Ergebnis der Bewegung der Elektronen. Es ist, als ob wir Fahnen auf einer Stadtmauer flattern sehen. Wir denken, dass es die Fahnen sind, die sich bewegen, aber in Wirklichkeit ist es der Wind, der sich bewegt. Elektronen sind der Wind, der die Fahnen weht. Sie reagieren als Erste auf elektromagnetische Wechselwirkungen und sind die Ursache weiterer Bewegungen. Beispielsweise absorbiert beim Zersetzungsprozess eines zweiatomigen Moleküls das äußere Elektron zuerst ein Photon und geht dann in einen instabilen hochenergetischen Zustand über; Dieser Übergang führt dann dazu, dass sich die beiden Atome im Molekül in entgegengesetzte Richtungen bewegen und sich schließlich trennen. Um diese physikalischen Phänomene wirklich zu verstehen, ist es daher notwendig, die ultraschnelle Bewegung von Elektronen zu untersuchen.

Die Zeitskala der Elektronenbewegung beträgt jedoch Attosekunden, was schneller als Femtosekunden ist. Die schnellsten derzeit verfügbaren Femtosekundenpulse (etwa 0,5 bis 1,5 Femtosekunden) decken bereits das Spektrum von Infrarot bis Ultraviolett ab. Da die Eigenschaften, Methoden und Technologien zur Erzeugung, Ausbreitung, Dispersion und Kompensation der einzelnen optischen Bänder vom Infrarot- über den sichtbaren bis zum Ultraviolettbereich sehr unterschiedlich sind, ist es technisch nahezu unmöglich, das Spektrum noch weiter zu erweitern, um kohärente optische Impulse mit einer Dauer von nur etwa 0,1 Femtosekunden (100 Attosekunden) zu erhalten. Aus einer anderen Perspektive beträgt die Periode von Licht mit einer zentralen Wellenlänge im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich etwa 1 bis 3 Femtosekunden. Ein Puls von 0,1 Femtosekunden bedeutet einen Puls von einem Zehntel der Periode, was ebenfalls kaum zu erreichen ist. Die einzige Möglichkeit besteht darin, das gesamte Spektrum in Richtung Kurzwelle, in den tiefen Ultraviolett- oder sogar Röntgenbereich zu verschieben.

Abbildung 2: Typisches Spektrum höherer Harmonischer

Das ist tatsächlich nicht einfach. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher ist die entsprechende Photonenenergie. Gewöhnliche Elektronen- oder Schwingungsenergieniveaus in Atomen können die Anforderungen als Laserübergangsenergieniveaus nicht mehr erfüllen. Gleichzeitig sind hochenergetische Elektronen in Plasmen oder Oszillatoren als Lichtverstärkungsmedien schwierig und teurer zu verwenden. Daher ist die Lösung weiterhin auf vorhandene ultraschnelle Laser angewiesen. Mit zunehmender Energie des Laserpulses steigt nach der optischen Fokussierung die Leistungsdichte im Fokus, also die elektrische Feldstärke, allmählich auf ein Niveau an, das mit dem Coulomb-Feld vergleichbar ist, das Elektronen in Atomen bindet. Unter solchen Bedingungen können sich Elektronen aus der Bindung des Atomkerns lösen und in einen freien Zustand übergehen, der als Ionisierung bezeichnet wird.

Im Jahr 1963, kurz nach dem Aufkommen der Laser, führten EK Damon und RG Tomlinson von der Ohio State University sowie RG Meyerand, Jr. und AF Haught vom Joint Spacecraft Laboratory Experimente zur Gasionisation mit Rubinlasern durch. Im Jahr 1965 schlug LV Keldysh vom Lebedew-Physikalischen Institut der Akademie der Wissenschaften der UdSSR die Theorie der Tunnelionisation vor. Tunneln bedeutet, dass Elektronen aus Atomen entweichen, als würden sie durch einen Tunnel gehen.

1979 veröffentlichten P. Agostini et al. am Sackler Center in Frankreich wurde das Phänomen der überschwelligen Ionisation beobachtet. Überschwellige Ionisation bedeutet, dass die Energie der ionisierten Elektronen dem Mehrfachen bis Dutzenden Mal der Energie der Laserphotonen entspricht. Mit der Entwicklung von Lasern entwickelte sich aus diesen Arbeiten das Gebiet der Starkfeldionisation, das sich auf die Untersuchung verschiedener Phänomene der Atom- und Molekülionisation in starken Laserfeldern spezialisiert.

Im Jahr 1988 stellten M. Ferray, A. L'Huillier und andere Forscher am Institut für Atom- und Oberflächenphysik in Frankreich fest, dass das bei der Bestrahlung von Atomen mit starken Lasern entstehende Spektrum hoher Harmonischer aus einer Reihe kammzahnförmiger Spitzen besteht, wobei die Photonenenergie in jeder Spitze ein Vielfaches oder sogar ein Dutzend Mal so hoch ist wie die Energie des Laserphotons. der Unterschied zwischen benachbarten Spitzen entsprach normalerweise der Energie zweier Laserphotonen. Dies wird bei Lasern als Harmonische höherer Ordnung bezeichnet. Der am häufigsten verwendete Titan-Saphir-Femtosekundenlaser hat eine Wellenlänge von 800 Nanometern und eine Lichtwellenschwingungsperiode von 2,67 Femtosekunden, was einer Photonenenergie von 1,55 Elektronenvolt (eV) entspricht. Die Photonenenergie seiner 65. Harmonischen beträgt 100 Elektronenvolt und hat eine Wellenlänge von 12,4 Nanometern, was nahe an der kürzesten Wellenlänge des ultravioletten Lichts (10–400 Nanometer) liegt, dem sogenannten extremen Ultraviolettband (XUV). Die entsprechende Schwingungsperiode der Lichtwelle beträgt nur 41 Attosekunden, was das ideale Band für die Erzeugung von Attosekundenpulsen ist!

Abbildung 3: Drei-Stufen-Modell der Attosekundenpulserzeugung. (A) Das Coulomb-Feld eines Atoms und der darin enthaltenen Elektronen; (B) Unter Einwirkung eines starken Laserfeldes kommt es zur Tunnelionisation, bei der die Elektronen das Atom verlassen. (C) Die Elektronen, die das Atom verlassen, werden im starken Laserfeld beschleunigt und gewinnen Energie; (D) Die Elektronen kehren zum Atom zurück und die im Laserfeld gewonnene Energie wird in Form eines extrem ultravioletten Photons freigesetzt.

Tatsächlich hat M. Yu bereits 1987 … Kuchiev vom Physikalisch-Technischen Ioffe-Institut der Sowjetischen Akademie der Wissenschaften hatte ein zweistufiges Modell der Sekundärstreuung von Elektronen in den äußeren Schalen von Atomen nach der Ionisierung in einem Laserfeld vorgeschlagen, um zu erklären, warum die Energie der durch überschwellige Ionisierung erzeugten Photoelektronen so hoch ist. Im Jahr 1993 schlugen KJ Schafer, B. Yang, LI DiMauro und KC Kulander von den Lawrence Livermore und Brookhaven National Laboratories in den Vereinigten Staaten ebenfalls ein zweistufiges Modell der Mehrfachstreuung vor, nämlich die anfängliche Ionisierung und Beschleunigung von Elektronen im Laserfeld. Da es sich bei dem Laserfeld um ein elektrisches Wechselfeld handelt, können die Elektronen bei einer Richtungsänderung des elektrischen Felds in die Nähe der ionisierten Atome (Ionen) zurückfliegen.

Auf dieser Grundlage erklärten sie sowohl die überschwellige Ionisation als auch die Harmonischen höherer Ordnung. Später im selben Jahr arbeitete PB Corkum vom National Research Council of Canada das semiklassische Drei-Stufen-Modell der Starkfeldionisation aus. Die ersten beiden Schritte sind weiterhin die Ionisierung und Beschleunigung der Elektronen im Laserfeld. Aufgrund der Beschleunigungswirkung des Laserfeldes tragen die Elektronen eine sehr hohe Energie. Und drei eng miteinander verbundene Phänomene werden entsprechend der Unterschiede im dritten Schritt erklärt.

Eine davon ist die doppelte Elektronenionisation. Das bedeutet, dass das erste ionisierte Elektron, wenn es in die Nähe des Ions zurückkehrt, ein zweites Elektron herausschlägt.

Der zweite Typ ist die elastische Streuung, bei der es sich eigentlich um eine Ionisation über der Schwelle handelt. Die ionisierten Elektronen tauschen keine Energie mehr mit den Ionen aus, was auch die energiereiche Überschwellen-Ionisation erklärt.

Bei der dritten Art verbinden sich Elektronen und Ionen zu Atomen, und die von den Elektronen getragene Energie wird in ein Photon umgewandelt und freigesetzt, wobei es sich um ein harmonisches Photon höherer Ordnung handelt.

Wenn wir Edelgas mit einem Femtosekundenlaser bombardieren, findet dieser dreistufige Prozess aus Ionisierung, Beschleunigung und Ionenrekombination einmal in jeder halben Lichtperiode des Lasers statt, und die von einer großen Zahl an an der Reaktion beteiligten Atomen abgestrahlten harmonischen Photonen höherer Ordnung bilden einen Lichtimpuls. Da die Halbperiode eines Femtosekundenlasers eine bis mehrere Femtosekunden beträgt und das Spektrum im extremen Ultraviolettbereich ultrakurze Pulse unterstützt, erreichen die erzeugten harmonischen Lichtpulse höherer Ordnung den Sub-Femtosekunden- oder Attosekunden-Zeitbereich. Häufig verwendete Femtosekunden-Laserpulse enthalten mehrere bis Dutzende von Lichtzyklen, die mehrere bis Dutzende von Attosekundenpulsen erzeugen.

Wenn wir das Spektrum beobachten, erfährt diese Reihe von Attosekundenimpulsen eine spektrale Interferenz und bildet ein kammförmiges Spektrum höherer Harmonischer. Das Drei-Stufen-Modell erklärt diese Reihe physikalischer Phänomene, insbesondere Harmonische höherer Ordnung, und skizziert ein vollständiges und intuitives physikalisches Bild, das zur ursprünglichen theoretischen Grundlage für Harmonische höherer Ordnung und Attosekundenoptik wird. Aufgrund der Bedeutung isolierter Attosekundenpulse (jeder Laserpuls erzeugt nur einen Attosekundenpuls und nicht eine Pulsfolge, die Harmonischen höherer Ordnung entspricht) für ultraschnelle Messungen schlugen Corkum, NH Burnett und MY Ivanov im folgenden Jahr die Theorie und Methode zur Extraktion eines isolierten Attosekundenlichtpulses aus einer Attosekundenpulsfolge hoher Harmonischer vor. Von da an öffnete sich der Vorhang der Attosekundenoptik!

Abbildung 4: Die Pulsbreite von Attosekundenpulsen ändert sich im Laufe des Jahres. 43 Attosekunden ist der neue Weltrekord für den kürzesten kohärenten Lichtpuls.

Es sei erwähnt, dass man bereits in den letzten Jahren des 20. Jahrhunderts klargestellt hatte, dass es sich bei den Harmonischen höherer Ordnung um eine Reihe von Attosekundenimpulsen handelt. Allerdings wurde die Impulsbreite erst einige Jahre später im 21. Jahrhundert tatsächlich in Experimenten gemessen und damit das Attosekundenergebnis bestätigt. Im Jahr 2001 verwendeten das Sackler Centre und das Nationale Zentrum für Hochtechnologie in Frankreich zusammen mit HG Muller und anderen vom Niederländischen Institut für Atom- und Molekularphysik erstmals einen 40-Femtosekunden-Titan-Saphir-Laser, um Argongas zu bombardieren und so hohe Harmonische der 13. bis 19. Ordnung zu erzeugen. Dabei wurde eine Impulsfolge mit einer Einzelimpulsbreite von 250 Attosekunden gemessen. Im selben Jahr verwendete die Gruppe von F. Krausz von der Technischen Universität Wien in Österreich in Zusammenarbeit mit Corkum und der Universität Bielefeld in Deutschland 7-Femtosekunden-Laserpulse, die von einem Titan-Saphir-Laser durch einen nichtlinearen Kompressor ausgegeben wurden, um hohe Harmonische in Neongas zu erzeugen und wählte ein Spektrum mit einer Photonenenergie von etwa 90 Elektronenvolt (Wellenlänge von etwa 14 Nanometern) aus. Die Messergebnisse zeigten, dass es sich um einen Puls von etwa 600 Attosekunden handelte. Im Jahr 2004 verwendete die Gruppe von Krausz einen 5-Femtosekunden-Antriebslaser in Kombination mit einer Attosekunden-Streak-Kamera, um isolierte Impulse mit einer Impulsbreite von 250 Attosekunden zu messen. Diese Experimente durchbrachen schließlich die Femtosekundengrenze und brachten die Fähigkeiten der Menschen in der ultrakurzen Laserpuls- und ultraschnellen optischen Forschung auf das Attosekundenniveau.

Im Jahr 2006 verkürzte die Gruppe von M. Nisoli am italienischen Nationallabor für ultraschnelle und ultraintensive Optik die Pulsbreite weiter auf 130 Attosekunden. Im Jahr 2008 gelang es Krausz‘ Gruppe, die an das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland und an die Universität München umgezogen war, isolierte Pulse von 80 Attosekunden. Im Jahr 2012 erhielt das Team von Professor Zenghu Chang an der University of Central Florida einen isolierten Impuls von 67 Attosekunden mit einer zentralen Photonenenergie von 90 Elektronenvolt und einem vollständigen Spektrum von 55 bis 130 Elektronenvolt (Wellenlänge 22 bis 9,5 Nanometer). Im Jahr 2013 erhielt das Team um Wei Zhiyi, einem Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, mithilfe eines 3,8-Femtosekunden-Antriebsimpulses einen isolierten Impuls von 160 Attosekunden. Dies ist das einzige experimentelle Ergebnis mit Attosekundenimpulsen in China.

Nachdem das Ergebnis von 67 Attosekunden fünf Jahre lang den Weltrekord gehalten hatte, berichteten die Forschungsgruppen von Professor Zenghu Chang aus den USA und HJ Wörner von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich auf der 6. Internationalen Konferenz für Attosekundenphysik, die im Juli 2017 vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Xi'an ausgerichtet wurde, jeweils von kürzeren Pulsen. Anschließend veröffentlichte das Team von Professor Chang im August ein offizielles Papier. Sie verwendeten einen Infrarotlaser mit einer Pulsbreite von 12 Femtosekunden und einer zentralen Wellenlänge von 1,7 Mikrometern als Antriebslichtquelle, um einen isolierten Puls von 53 Attosekunden zu erhalten. Die zentrale Photonenenergie betrug 170 Elektronenvolt (Wellenlänge 7,3 Nanometer). Damit brachen sie ihren eigenen bisherigen Weltrekord und steigerten die Photonenenergie von Attosekundenpulsen erstmals auf über 100 Elektronenvolt. In einem zwei Monate später vom Schweizer Team veröffentlichten Artikel verwendeten sie eine Antriebslichtquelle, die der der Forschungsgruppe von Professor Chang ähnelte, die Pulsenergie war jedoch relativ niedrig. Daher betrug die zentrale Energie des erzeugten Attosekundenpulses nur 100 Elektronenvolt, aber seine spektrale Form war besser und die Pulsbreite betrug nur 43 Attosekunden, was den neuesten Weltrekord für kohärente Lichtpulse darstellt!

Attosekunden sind die kürzeste Zeitskala, die der Mensch derzeit beherrscht. Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zur Lebensdauer des Universums. Die im Labor erreichbaren Attosekundenpulse liegen derzeit in der Größenordnung von 100 Attosekunden. Wenn sie weiter auf 10 Attosekunden verbessert werden können, sollten sie in der Lage sein, die ultraschnelle Bewegung von Elektronen vollständig zu untersuchen. Für physikalische Phänomene, die auf elektromagnetischen Wechselwirkungen beruhen, können 10 Attosekunden wahrscheinlich als der ultimative ultraschnelle Zeitindikator angesehen werden!

Die Weiterentwicklung kohärenter Lichtimpulse von Femtosekunden zu Attosekunden ist nicht nur eine einfache Weiterentwicklung der Zeitskala. Noch wichtiger ist jedoch, dass es die Fähigkeit der Menschen erweitert hat, die Struktur der Materie zu untersuchen, von der Bewegung der Atome und Moleküle bis hin zum Inneren der Atome. Es kann die Bewegung und das Korrelationsverhalten von Elektronen erfassen und löst damit eine große Revolution in der physikalischen Grundlagenforschung aus. Die Bewegung von Elektronen genau zu messen, ihre physikalischen Eigenschaften zu verstehen und dann das dynamische Verhalten von Elektronen innerhalb von Atomen zu kontrollieren, ist eines der wichtigen wissenschaftlichen Ziele, die die Menschen verfolgen. Mit Attosekundenpulsen können wir einzelne mikroskopische Teilchen messen und sogar manipulieren und dadurch grundlegendere und prinzipiellere Beobachtungen und Beschreibungen der mikroskopischen Welt machen, einer Welt, die von der Quantenmechanik dominiert wird.

Beispielsweise können wir Attosekundenpulse verwenden, um Elektronen in chemischen Reaktionen zu verfolgen und so den Reaktionsverlauf zu verstehen und sogar zu manipulieren. Sie könnten auch die Elektronen in Photovoltaikzellen und Nanostrukturen genauer untersuchen und so nach effizienteren Solarzellen und stärkeren Nanofasern suchen. Oder nutzen Sie Attosekundenlaser zur Messung von Elektronenpaaren in Supraleitern, um den Schlüssel zur Entschlüsselung der Geheimnisse der Supraleitung zu finden. Wenn wir über eine Attosekundenlaser-„Pinzette“ verfügten, könnte die Speicherung und Manipulation von Elektronen und Photonen in Quantencomputern ein wahrgewordener Traum werden. Eine ähnliche „Pinzette“ könnte auch verwendet werden, um die Struktur und das Verhalten von DNA und Proteinen zu analysieren oder um Medikamente in erkrankte Zellen einzuschleusen, sodass Krebs und andere hartnäckige Krankheiten geheilt werden könnten. Die Attosekundenoptik wird schrittweise auf die Attosekundenphysik, Attosekundenchemie, Attosekundenelektronik usw. ausgeweitet.

Eines der größten Probleme der Attosekundenoptik besteht jedoch darin, dass die Energie der Attosekundenpulse sehr gering ist. Ein im Labor typischerweise verwendeter Femtosekunden-Laserpuls hat etwa 10 Billionen (1016) Photonen, ein erzeugter Attosekundenpuls hat jedoch nur etwa 10 Millionen (107) Photonen. Solche Impulse können nicht nur keine nichtlinearen optischen Effekte erzeugen oder auch nur Multiphotonenprozesse niedrigster Ordnung wie etwa die Zweiphotonenionisation stimulieren, sie sind auch mit den Problemen einer langen Integrationszeit und eines niedrigen Signal-Rausch-Verhältnisses konfrontiert, sogar bei Experimenten zur Spektroskopie oder bei Photoelektronenmessungen, die in den Bereich der linearen Optik fallen.

Aufgrund der Entwicklungsaussichten der Attosekundenoptik und der Bedeutung hochenergetischer Attosekundenpulse haben das Wissenschafts- und Technologieministerium meines Landes, die National Natural Science Foundation of China und die Chinesische Akademie der Wissenschaften wichtige Mittel in die Durchführung von Forschungen investiert. Das in diesem Jahr vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie gestartete nationale F&E-Schlüsselprogramm „Schlüsseltechnologien für Ultrakurzpuls-, Einzelfrequenz- und Mittelinfrarot-Lasermaterialien und -geräte“ umfasst das Projekt „Forschung zu Schlüsseltechnologien für Hochdurchsatz-Attosekundenlasergeräte und fortschrittliche Antriebsquellen“. Sein Zweck besteht darin, theoretische und technische Methoden zur Gewinnung hochenergetischer Attosekundenpulse zu studieren und zu erforschen und gleichzeitig das Land dazu anzuregen, umfangreiche Spitzenforschung in der Attosekundenoptik zu betreiben und die breite Anwendung der Attosekundenoptik in verschiedenen wissenschaftlichen Forschungsfeldern zu fördern. Die Weiterentwicklung dieser Studien wird uns nicht nur die Möglichkeit geben, den Entstehungsprozess von Attosekundenpulsen besser zu verstehen. Höhere Pulsenergien können Attosekundenpulse auch zu ultraschnellen Lichtquellen mit vielfältigeren Funktionen und breiteren Anwendungsmöglichkeiten machen!

Planung und Produktion

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Originaltitel: „Physik-Nobelpreis 2023: Vergangenheit und Gegenwart der Attosekundenpulse“

Autor: Zhao Kun und Wei Zhiyi (Schlüssellabor für optische Physik, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Herausgeber: Yinuo