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Forschende weisen einen bislang unbekannten Effekt der Elektronenbeschleunigung in ultrakurzen Laserpulsen nach.
Forschende der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und Universität Rostock haben einen bahnbrechenden Effekt entdeckt, bei dem Elektronen bereits durch nur eine einzige Schwingung eines Laserpulses stark beschleunigt werden. Bisher war dieser Effekt nur bei langen Laserpulsen sichtbar und konnte nun durch die Verwendung extrem scharfer Metall-Nadelspitzen beobachtet werden. Diese Entdeckung könnte zur Entwicklung ultraschneller Optoelektronik beitragen.
Trifft ein intensiver Laserpuls auf ein ruhendes Elektron, vollführt es eine Zitterbewegung mit der Frequenz des Lichtfeldes. Diese Bewegung klingt allerdings nach dem Puls wieder ab und das Elektron kommt am Ursprungsort erneut zur Ruhe. Verändert das Lichtfeld entlang der Flugbahn des Elektrons jedoch seine Stärke, baut das Elektron mit jeder Schwingung eine zusätzliche Driftbewegung auf, die es auch nach dem Puls beibehält. Die räumliche Lichtintensität wirkt dabei wie ein Berg, den das Elektron hinabrutscht.
Dieser seit Jahrzehnten bekannte Effekt wird als ponderomotorische Beschleunigung bezeichnet. Aufgrund der selbst in fokussierten Lichtstrahlen geringen Ortsabhängigkeit der Intensität ist dieser lichtgetriebene Rutscheffekt jedoch nur für lang andauernde Laserpulse mit vielen Schwingungen des Feldes deutlich zu beobachten. In einer aktuellen Studie ist es nun gelungen, eine ausgeprägte ponderomotorische Beschleunigung während nur einer einzigen Lichtschwingung nachzuweisen. Der entscheidende Trick war die Verwendung scharfer metallischer Nadelspitzen, die bei Beleuchtung mit Laserlicht eine extrem stark räumlich veränderliche Lichtintensität aufweisen.
In Experimenten konnten die durch das Licht freigesetzten Elektronen so erstmals den einzelnen Zyklen des Lichtfeldes zugeordnet werden. Diese neuen Erkenntnisse wurden kürzlich im renommierten Fachjournal Nature Physics publiziert und könnten zur Entwicklung neuartiger ultraschneller Optoelektronik und der effizienten Charakterisierung kurzer Lichtpulse beitragen.
In den Experimenten in den Laboren von Prof. Dr. Peter Hommelhoff vom Lehrstuhl für Laserphysik an der FAU wurden mit einem speziellen Verfahren Wolfram-Nadeln mit besonders scharfen, nur wenige Nanometer kleinen Spitzen hergestellt und mit optischen Laserpulsen mit nur etwa drei Feldschwingungen beleuchtet.
„Typischerweise interessieren wir uns besonders für die aus den Nanospitzen freigesetzten schnellen Elektronen, die wir präzise mit der Wellenform des Lichtpulses steuern können. Für diese ist bekannt, dass die ponderomotorische Bewegung für scharfe Spitzen komplett unterdrückt wird. Überraschenderweise haben wir nun ausgerechnet im Signal der langsamen Elektronen eine bislang unbekannte und ausgeprägte Streifenstruktur entdeckt. Unsere Experimente haben für die langsamen Elektronen sogar eine Verstärkung der ponderomotorischen Effekte aufgedeckt“, erklärt Jonas Heimerl.
Für den Vergleich mit den experimentellen Daten führte die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Thomas Fennel von der Universität Rostock umfassende numerische Simulationen durch, die den ponderomotorischen Beschleunigungseffekt in einer einzelnen Lichtschwingung quantitativ beschreiben und die weitreichenden Implikationen für die Charakterisierung und Steuerung ultraschneller Elektronendynamik belegen.
„Ponderomotorische Beschleunigung wird üblicherweise als ein über viele Lichtschwingungen gemittelter Effekt beschrieben. Ein faszinierender Aspekt unserer Erkenntnisse ist, dass dieser nun genutzt werden kann, um Prozesse auf der Zeitskala eines Bruchteils einer Lichtschwingung zu vermessen“, erklärt Anne Herzig, Doktorandin in der Gruppe von Thomas Fennel.
„Obwohl die grundlegende Physik der nahfeldinduzierten Streifenstrukturen prinzipiell mit klassischer Mechanik erklärt werden kann, eröffnen sie einen neuen Zugang zur Charakterisierung der Quanteneffekte des Emissionsprozesses“, ergänzt Anne Herzig. Die gewonnenen Erkenntnisse konnten nur durch das exzellente Zusammenspiel von Experiment und Theorie erzielt werden und haben das Potential, das fundamentale Verständnis der Photoemission zu erweitern und neue Anwendungen in der ultraschnellen Metrologie und Optoelektronik zu ermöglichen.
Grafische Abbildung:
Mechanismus der ponderomotorischen Beschleunigung im Nahfeld: Ein aus nur wenigen Schwingungen bestehendes Lichtfeld setzt an den Maxima des Feldes Elektronen frei. Durch das lokalisierte Nahfeld an einer scharfen Nanospitze entsteht ein steiler ponderomotorischer Potentialberg, den die Elektronen hinabrutschen. Da früher freigesetzte Elektronen hierbei länger beschleunigt werden, können Elektronen aus den einzelnen Zyklen durch eine Geschwindigkeitsmessung voneinander separiert werden.
Kontakte:
Prof. Dr. Peter Hommelhoff
Tel. 09131 / 85-27089
peter.hommelhoff@fau.de
Prof. Dr. Thomas Fennel
thomas.fennel@uni-rostock.de
Tel. 0381 / 498-6815
Internetseiten des Lehrstuhls Hommelhoff: https://www.laserphysik.nat.fau.de
Internetseiten der Arbeitsgruppe Fennel: https://www.snp.physik.uni-rostock.de
Originalpublikation:
J. Heimerl, S. Meier, E. A. Herzig, F. López Hoffmann, L. Seiffert, D. Lesko, S. Hillmann, S. Wittigschlager, T. Weitz, T. Fennel und P. Hommelhoff, Attosecond physics in optical near fields, Nature Physics (2025), doi: 10.1038/s41567-025-03093-3
Mechanismus der ponderomotorischen Beschleunigung
Logos der Universitäten Rostock und Nürnberg
Logos der beteikigten Universitäten Rostock und Nürnberg
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Forschungsprojekte
Deutsch
Mechanismus der ponderomotorischen Beschleunigung
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