Am Puls - The Munich-centre For Advanced Photonics

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Am Puls Ausgabe Dezember 2016 Newsletter des Munich-Centre for Advanced Photonics Mit einer Festschrift zur Ausstellung des ersten Lasers am Max-Planck-Institut für Quantenoptik Am Puls des Munich-Centre for Advanced Photonics Liebe Leser, mit dieser Ausgabe des MAP-Newsletters möchten wir Sie einladen, ans Max-Planck-Institut für Quantenoptik zu kommen und einen der ersten Laser zu bewundern. Dieser wird ab dem 12. Dezember 2016 bei uns ausgestellt. Und so spannt dieses Heft den Bogen von der modernen Laserforschung in unserem Cluster zurück zu den Anfängen im Jahr 1960 als Theodore Maiman der Öffentlichkeit seinen Laser vorstellte. Damals präsentierte Maiman ein kleines System bestehend aus einer Blitzlampe, einem Rubin und einer Hülse aus Metall. Gut zu sehen ist das Gerät auf einem historischen Foto auf den Seiten 24 und 25 dieser Ausgabe. Maimans Erfindung hat die Jahrzehnte überdauert. Jetzt ist das Original im Foyer des Max-Planck Instituts für Quantenoptik in Garching, in einer kleinen Ausstellung zu sehen. Zusammen mit dem Laser präsentieren wir das Original-Laborbuch, in dem sich die bahnbrechenden Skizzen für den Bau des Geräts befinden. Im zweiten Teil dieses Newsletters, finden Sie, liebe Leser, die Festschrift zu der Ausstellung. Für unsere internationalen Besucher haben wir sie in Englisch verfasst, Originaltexte von Theodor Maiman ergänzen den historischen Rückblick. Tauchen sie ein in eine spannende und manchmal kontrovers diskutierte Zeit, in der ein kleines Gerät erdacht wurde, das bis heute die Welt nachhaltig verändert hat. Am Prinzip des Lasers, der stimulierten Emission, hat sich bis heute nichts geändert, doch die Technik hat einen enormen Fortschritt erlebt. In dieser Ausgabe stellen wir Ihnen wieder ein breites Spektrum dessen vor, was mittlerweile mit Licht in der Forschung möglich ist. Die Bandbreite reicht von der Fotografie elektromagnetischer Felder über lasergetriebene Tumortherapien der Zukunft, bis hin zur Erforschung des Phänomens der Photoemission, das Albert Einstein vor mehr als 100 Jahren entdeckte. Bilder: Alexander Gelin, Maiman Archiv Wir wünschen ihnen viel Freude bei der Lektüre. Ihr MAP-Projektteam www.munich-photonics.de Am Puls Attosekundenphysik 2 Die neueste Generation Attosekundenlaser E in Team um Prof. Reinhard Kienberger an der TUM ist mit dem Aufbau eines neuen Lasersystems zur Erzeugung von Attosekunden-Lichtblitzen beschäftigt. Das neue Lasersystem erzeugt kurzwelligere und intensivere Attosekunden-Laserpulse mit einer noch höheren Wiederholungsrate als bisher. Auf diese Weise können neue Materialien mit höheren Anregungsenergien als bisher untersucht werden. Rein optisch fällt ein drei Meter langes Hohlfasersystem ins Auge, das eine Eigenentwicklung des Teams ist. Mit dem neuen Attosekundenlaser können Messreihen schneller und effizienter durchgeführt werden. Die geplanten Experimente beschäftigen sich unter anderem mit der Untersuchung chemischer Reaktionen, die durch Einstrahlung von (Sonnen)Licht beschleunigt werden (Photokatalyse). Um diese besser zu verstehen und letztlich die Gesamtausbeute der chemischen Energie zu erhöhen, werden zeitaufgelöste Analysen von PhotokatalyseTeilreaktionen durchgeführt. ks/Foto: Naeser 3 www.munich-photonics.de Am Puls Lichtfelder fotografieren Eine Kamera für unsichtbare Felder Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ haben ein Elektronenmikroskop entwickelt, mit dem sie pro Sekunde Billionen Mal oszillierende elektromagnetische Felder sichtbar machen. E lektromagnetische Felder sind der Motor unserer Elektronik. Sie verändern sich rasend schnell, sind unsichtbar und damit schwer zu fassen. Eine bessere Kenntnis dieser Felder in elektronischen Bauteilen, wie etwa Transistoren, ist notwendig, bevor die Elektronik der Zukunft Realität werden kann. Einen Meilenstein dorthin haben nun die Ultrakurzzeitphysiker vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des MaxPlanck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) erreicht. Sie haben ein Elektronenmikroskop gebaut, mit dem sie elektromagnetische Felder sichtbar machen und deren ultraschnelle Veränderungen aufzeichnen können. Alle elektronischen Geräte des Alltags werden von elektromagnetischen Feldern getrieben. Durch sie verschieben sich Elektronen und Ströme in Bauteilen wie etwa in Transistoren. Dort sorgen sie für Datenfluss oder Speichervorgänge. Eine bessere Kenntnis der elektromagnetischen Feldverläufe und ihrer ultraschnellen Veränderungen in elektronischen Bauteilen könnte die Elektronik der Zukunft effizienter gestalten. Ein Elektronenmikroskop zur Analyse elektromagnetischer Felder haben Physiker der Arbeitsgruppe „Ultrafast Electron 4 Dreidimensionale Darstellung der Veränderung eines elektromagnetischen Lichtfeldes, das sich um eine Mikroantenne gebildet hat. „Fotografiert“ wurde das Lichtfeld mit Elektronenpulsen. Grafik: Peter Baum Imaging“ des Labors für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ entwickelt. Das Elektronenmikroskop wird mit ultrakurzen Laserpulsen von wenigen Femtosekunden Dauer betrieben (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde). Diese Laserpulse erzeugen wiederum Elektronenpulse, die nur aus einzelnen Elektronen bestehen und durch das Einwirken von Terahertz-Strahlung weiter verkürzt werden. Diese Technologie haben die Münchner Physiker schon vorher entwickelt (Science 22. April 2016, doi: 10.1126/science.aae0003). Sie erlaubt die Erzeugung von Elektronenpulsen, die kürzer als eine halbe Schwingung einer Lichtwelle sind. Mit diesen ultrakurzen Elektronenpulsen werden nun elektromagnetische Felder sichtbar gemacht. Im Experiment ließen die Physiker die Elektronenpulse auf eine Mikroantenne treffen. Diese Mikroantenne wurde zuvor durch Terahartz-Strahlung angeregt, so dass in ihrem Umkreis optische Effekte, also elektromagnetische Felder, entstanden. Gleichzeitig durchdrangen die kurzen Elektronenpulse die Antenne. An den elektromagnetischen Feldern wurden die Elektronenpulse gestreut und deren Ablenkung aufgezeichnet. Über die Ablenkung der Elektronenpulse erhielten die Forscher Auskunft über die räumliche Verteilung, die zeitliche Variation, die Richtung und die Polarisation des Lichts, das die Mikroantenne aussendete. „Um solche elektromagnetischen Lichtfelder zu visualisieren, sind zwei Vorausetzungen wichtig“, erklärt Dr. Peter Baum, der Leiter der Experimente. „Die Elektronenpulse müssen kürzer sein als ein Lichtzyklus. Und die Durchgangszeit durch die zu untersuchende Struktur muss kürzer sein als ein Lichtzyklus.“ Die Elektronenpulse fliegen etwa mit halber Lichtgeschwindigkeit. Mit ihrer Elektronenmikroskopie haben die LAP-Physiker eine Grundlage geschaffen, selbst kleinste und schnellste elektromagnetische Felder zu detektieren und zu verstehen, wie Transistoren oder optische Schalter arbeiten. Interessant ist die neue Technologie für die Entwicklung von Metamaterialien. Metamaterialien sind künstliche Nanostrukturen, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder von der in der Natur üblichen abweicht, so dass optische Phänomene entstehen, die sich mit herkömmlichen Stoffen niemals realisieren lassen. Metamaterialien eröffnen Perspektiven in der Optik und Optoelektronik, und könnten zu Bausteinen für lichtgetriebene Schaltkreise und Rechner der Zukunft werden. Mit ihrer Elektronenmikroskopie-Technologie tragen die LAP-Physiker dazu bei, das alles besser zu verstehen. Thorsten Naeser Originalpublikation: A. Ryabov and P. Baum; Electron microscopy of electromagnetic waveforms; Science, 22. Juli 2016,Vol. 353, Issue 6297, pp. 374377; doi: 10.1126/science.aaf8589. 5 www.munich-photonics.de Am Puls Medizinphysik Liveschaltung während der Tumorbestrahlung Über Ultraschall machen MAP-Medizinphysiker Protonenstrahlung im Krebsgewebe in Echtzeit sichtbar. Dazu haben die Forscher konventionelle Ultraschallmessungen kombiniert mit der gleichzeitigen Messung des Ultraschallsignals, das durch die Bestrahlung mit Protonen verursacht wird. T umorbestrahlung mit Protonen könnte künftig noch präziser werden. Medizinphysiker des Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) an der LudwigMaximilians-Universität (LMU) haben zusammen mit Physikern der Technischen Universität (TUM) und des Helmholtz Zentrums München (HMGU) sowie der Universität der Bundeswehr München (UniBWM) konventionelle Ultraschalltechnologie kombiniert mit einer Protonenbestrahlung eines Tumors. Die von ihnen entwickelte Ionoakustik versetzt sie in die Lage, über den Ultraschall den Wirkungsort der Protonenstrahlung in Echtzeit zu verfolgen. Eine große Zahl von Tumoren kann mit Strahlung bestehend aus Protonen (positiv geladenen Wasserstoffatomen) behandelt werden. Protonen treffen dabei auf die Krebszellen des Tumors und zerstören sie. Ent- 6 scheidend ist, dass die Protonen nur die Zellen des Krebsgeschwürs treffen und abtöten und das umliegende Gewebe verschonen. Die Mediziner müssen also die Energie der Protonen zielgenau im Tumor abladen um maximale Wirkung auf die kranken Zellen zu erzielen. In der klinischen Anwendung ist es daher wichtig zu wissen, wo die Strahlung aus Protonen ihre Wirkung maximal entfaltet. Das ist genau dort im Körper der Fall, wo sie besonders stark abgebremst wird. Diese Stelle maximaler Dosisabgabe ist der so genannte „Bragg peak“ und sollte ausschließlich im Tumor liegen. Die Medizinphysiker des MunichCentre for Advanced Photonics an der LMU haben nun in Kooperation mit Arbeitsgruppen der TUM/ HMGU und UniBWM eine Methode entwickelt, mit der sie während der Bestrahlung überprüfen können, wo die Strahlendosis im Tumor gerade ihre Wirkung entfal- tet. Dazu haben die Physiker konventionelle Ultraschallmessungen kombiniert mit der gleichzeitigen Messung des Ultraschallsignals verursacht durch die Bestrahlung mit Protonen. Ihnen ist es in einem präklinischen Experiment erstmals gelungen, einen Strahl aus Protonen im Gewebe sichtbar zu machen zusammen mit dem Ultraschallbild dieses Gewebestücks. Mit der von ihnen entwickelten „Ionoakustik“ sind sie nun in der Lage, in Echtzeit und dreidimensional zu verfolgen, wo im Körper die Strahlung ihre größte Wirkung entfaltet. Die Forscher bestimmten damit die Treffsicherheit des Protonenstrahls mit unter einem Millimeter Genauigkeit. Zusätzlich und gleichzeitig haben sie auch durch gezielte Beleuchtung mit Laserlicht ein optoakustisches Bild der bestrahlten Gewebestruktur gemessen. Um die Ionoakustik in die klinische Praxis zu überführen, wollen die Physiker diese Ultraschalltechnolo- Die Ionoakustik ermöglicht in Echtzeit die genaue Darstellung wo im Gewebe (rosa) eine Bestrahlung ihre größte Wirkung (lila dargestellt) entfaltet. Abbildung: Stephan Kellnberger gie so modifizieren, dass die Signale auch bei einer, für therapeutische Anwendungen, üblichen Bestrahlungsdosis messbar werden. Zurzeit wird Protonenstrahlung noch mit großen und teuren Beschleuniger-Anlagen produziert. Doch neue Laser-Technologien, wie sie im Munich-Centre for Advanced Photonics und im daraus entstandenen Laserforschungszentrum Centre for Advanced Laser Applications (CALA) entstehen, versprechen eine kostengünstigere und möglicherweise energetisch besser angepasste Protonen-Strahlung für den medizinischen Einsatz. Auch im Hinblick auf die künftig lasergetriebene Strahlenproduktion verspricht die Ionoakustik eine besonders geeignete und höchst präzise Messmethode um Protonentherapien künftig noch zielgenauer und damit Patienten-schonender zu konzipieren. Thorsten Naeser Originalpublikation: Stephan Kellnberger et al.; Ionoacoustic tomography of the proton Bragg peak in combination with ultrasound and optoacoustic imaging; Scientific Reports, 7. Juli 2016, doi: 10.1038/srep29305 7 www.munich-photonics.de Am Puls Medizinphysik Protonenstrahlung nach explosiver Vorarbeit Physiker der Ludwig-MaximiliansUniversität haben mit Nanopartikeln und Laserlicht Protonenstrahlung produziert. Sie könnte künftig helfen, Tumore aus ihrem Inneren heraus zu bekämpfen. Der Texas Petawatt Laser Puls (rot) wird auf eine schwebende Mikrokugel fokussiert. Die enorme Lichtintensität verursacht die Explosion der Mikrokugel wodurch potentiell vielseitig nutzbare energetische Ionen (blau) aus einer sehr kleinen Quelle erzeugt werden können. Grafik: Tobias Ostermayr 8 S tark gebündeltes Licht entwickelt eine enorme Kraft. Die gebündelte Energie als Sprengkraft nutzt ein Physikerteam vom Lehrstuhl für Experimentalphysik der Ludwig-Maximilians-Universität München. Die Forscher bündeln Laserlicht auf wenige Mikrometer große Kügelchen aus Plastik. Die geballte Energie lässt die Nanopartikel explodieren. Dadurch wird Strahlung aus positiv geladenen Atomen (Protonen) frei. Eine solche Protonenstrahlung könnte künftig zur Tumorbekämpfung und für neuartige, bildgebende Verfahren eingesetzt werden. Trifft Sonnenlicht auf unsere Haut, spüren wir die Wärme. Wir erahnen welche Energie in der Strahlung steckt, wenn man sie weiter bündelt. Physiker vom Lehrstuhl für Experimentalphysik - Medizinische Physik im Exzellenzcluster MAP haben nun Laserlicht des Texas Petawatt Lasers in Austin Texas so stark auf Nano-Plastikkügelchen gebündelt, dass diese quasi explodierten. Bei diesem Versuch trafen rund eine Billiarde Milliarden Photonen (3 mal 1020 Photonen) auf Mikrokügelchen von etwa 500 Nanometer Durchmesser. Die Plastikkügelchen bestanden aus rund 50 Milliarden Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen und wurden mit einer so genannten Paulfalle durch elektromagnetische Felder schwebend fixiert, bevor der Laserstrahl auf sie einwirkte. Das Laserlicht riss aus den Atomen rund 15 Prozent der in ihnen gebundenen Elektronen heraus. Die zurückbleibenden, positiv geladenen Atomkerne stießen sich stark ab, die Nanokügelchen explodierten mit Geschwindigkeiten von einigen zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Die Strahlung aus positiv geladenen Atomen (Protonen) breitete sich in alle Richtungen aus. Protonenstrahlung aus Laserlicht zu produzieren verspricht neue Wege in der Strahlungsmedizin, etwa zur Bekämpfung von Tumoren. Heute wird Protonenstrahlung noch über konventionelle Beschleuniger produziert. Lasergenerierte Protonenstrahlung dagegen eröffnet die Perspektive, neuartige, womöglich auch kostengünstigere und effizientere Behandlungsmethoden zu entwickeln. Das Münchner Team um Prof. Jörg Schreiber produziert Protonenstrahlung in der Regel über diamantartige Folien auf die extrem starkes Laserlicht trifft. Dadurch wird Protonenstrahlung emittiert, die dann von einer externen Quelle auf den Körper von außen einwirkt. Mit der Strahlungsproduktion über die gesprengten Plastikkügelchen eröffnet sich vielleicht sogar die Möglichkeit, die Nanopartikel zuerst in einem Tumor zu platzieren und sie dann mit Laserlicht explodieren zu lassen. So könnte Protonenstrahlung gezielt im Tumor ihre Wirkung entfalten ohne umliegendes, gesundes Gewebe zu schädigen. Thorsten Naeser Originalpublikation: T.M. Ostermayr et al. Proton acceleration by irradiation of isolated spheres with an intense laser pulse Physical Review E (Vol.94, No.3), doi: 10.1103/PhysRevE.94.033208 9 www.munich-photonics.de Am Puls photonworld.de - die Homepage zum Thema Licht L icht ist der Motor des Lebens. Es ist ein flüchtiges Medium. Der Mensch versteht es jedoch immer besser, sich die Strahlung zu Nutze zu machen. Wer sich zu aktuellen Themen rund ums Licht informieren möchte, der ist auf der Homepage photonworld.de richtig. Hier berichtet das Team des Labors für Attosekundenphysik am Max-Planck Institut für Quantenoptik allgemeinverständlich über spannende Erkenntnisse und Entdeckungen aus Physik, Biologie, Chemie oder der Astronomie. Dazu erklären die Autoren wie man Licht in der Technik einsetzt und welche Visionen durch die Köpfe von Forschern und Ingenieuren geistern, um Licht zum Werkzeug des 21. Jahrhunderts zu machen. Lesen Sie hier ein Interview mit MAP-Professor Jörg Schreiber, das auf photonworld erschienen ist. Die Kraft der Photonen Jeder kennt das Gefühl: Wind weht, wir spüren ihn als Druck auf unserer Haut. Bewegte, für uns unsichtbare Moleküle, Teilchen, aus denen sich unsere Atmosphäre zusammensetzt, sind dafür verantwortlich. Doch nicht nur Luft übt Kraft auf Flächen aus, sondern auch Licht, den so genannten Strahlungsdruck. Im Interview erklärt Jörg Schreiber, Professor am Lehrstuhl für Medizinphysik der LMU im Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics der Ludwig-Maximilians Universität, das Phänomen und wie sein Team sich den Strahlungsdruck zu Nutze macht. Prof. Jörg Schreiber. Foto: Naeser Seit wann ist uns das Phänomen des Lichtdrucks bekannt? Schreiber: Schon im Jahr 1873 erkannte James Maxwell in seiner Theorie zu elektromagnetischen Wellen, dass diese Druck auf Körper ausüben können. Die erste experimentelle Bestätigung lieferte dann Pjotr Nikolajewitsch Lebedev im Jahr 1901. Der Physiker Arthur Ashkin bestrahlte 1972 kleine Plastikkügelchen und beobachtete unter dem Mikroskop eine Bewegungsänderung. Und wie kann man den Lichtdruck erklären? Schreiber: So ganz klassisch mit der Mechanik kann man das nicht erklären. Denn anders als etwa Moleküle in der Luft haben Lichtteilchen, also die Photonen, keine Masse. Photonen sind Quantenteilchen, die sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dennoch tragen sie einen Impuls und Energie in sich. Treffen diese Teilchen etwa auf eine Oberfläche und werden reflektiert dann kehrt sich ihre Bewegungsrichtung um und sie übertragen eine Kraft, ähnlich wie ein Tischtennisball auf den Schläger. Dabei vergrößert sich auch ihre Wellenlänge und sie haben dem bestrahlten Körper Bewegungsenergie zur Verfügung gestellt. 10 Kann man die Stärke des Lichtdrucks etwa auf unserer Haut quantifizieren? Schreiber: Ja, sogar recht einfach. Der Lichtdruck berechnet sich aus der Lichtintensität, an einem sonnigen Tag ist das ungefähr 1 kW pro Quadratmeter, geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit. Im Vergleich zum Luftdruck entspricht das nur 30 Millionstel Millionstel des uns umgebenden Luftdruckes, bzw. Ultrahochvakuumbedingungen die in Teilchen-Beschleunigern erzeugt oder in den niedrigen Erdumlaufbahnen, z.B. die der Internationalen Raumstation ISS, zu finden sind. Es klingt erst mal ungewöhnlich, dass Licht wirklich Druck ausübt auf Flächen oder auch auf unsere Haut. Schreiber: Ja, in der Tat. Der Druck des Lichts ist wahrlich gering, wirkt aber wie auch der Luftdruck permanent auf uns ein. Den nehmen wir im Übrigen ja auch nicht bewusst wahr. Wie und wo kann man sich den Lichtdruck zu Nutze machen? Schreiber: Interessant ist der Lichtdruck vor allem im Zusammenhang mit Lasern. Hier wird Licht extrem stark gebündelt und viele Photonen können auf engstem Raum konzentriert werden. Die geballte Kraft der Photonen wird heute schon in vielen Bereichen eingesetzt, z.B. um Zellen unter dem Mikroskop zu navigieren. In den riesigen Gravitationswelleninterferometern ist der Lichtdruck sogar so groß, dass er für Kalbrationsmessungen eingesetzt wird. Wie nutzt Ihr Team den Lichtdruck? Schreiber: Wir schicken hochintensive Laserpulse auf hauchdünne, typischerweise diamantartige Folien, die aus nur wenigen Atomlagen Kohlenstoff bestehen. Der Lichtdruck treibt die viel leichteren Elektronen vor sich her wie ein Segel. Die Ionen, also geladene Atome, werden durch die elektrischen Kräfte hinterher gezogen und auf rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Es entsteht Ionenstrahlung, getrieben durch den Strahlungsdruck der ultrakurzen Laserpulse. Ionenstrahlung kann zur Behandlung von Tumoren in der Krebstherapie eingesetzt werden, wenn sie über genug Energie verfügt. Aktuell wird diese hochenergetische Strahlung von großen, kostenintensiven Beschleunigern erzeugt. Die Lasertechnologie ist noch nicht in der Lage, eine ebenbürtige Qualität zu liefern. Aber sie hat das Potential die notwendige Technologie für den medizinischen Einsatz künftig kostengünstiger und platzsparender, und mit neuartigen Einsatzmöglichkeiten zur Verfügung zu stellen. Welche visionären Anwendungsmöglichkeiten gibt es für den Lichtdruck? Schreiber: Es gibt die Idee leichteste Segel ausgestattet mit Mikrotechnologie, z.B. Mini-Kameras, ins Universum zu schicken. Die Flotte der „Star-Chips“ würde mit Lichtdruck aus Lasern von der Erde oder einer Umlaufbahn aus, beschleunigt. Ich halte die Idee für wahnsinnig spannend und nicht unrealistisch, wenn auch noch einige Hürden zu nehmen und Konzepte überprüft werden müssen. Wer möchte da nicht beitragen? In einigen Jahrzehnten segeln vielleicht wirklich winzige Nanosegel durch den Weltraum, angetrieben nur durch den Impuls des Lichts, und wir kommunizieren mit den ersten Außerirdischen über Facebook. Interview: Thorsten Naeser 11 www.munich-photonics.de Am Puls Neues aus dem PhotonLab Die optimale Holografie Simon Lukas vom Johannes-Heidenhain-Gymnasium in Traunreut schreibt seine W-Seminararbeit über Holografie. Im PhotonLab hat er dazu experimentiert. I ch war auf der Suche nach einem Thema für meine Seminararbeit. Durch Filmanimationen und Sicherheitsbilder auf Geldscheinen waren mir Hologramme bereits bekannt. Das klang für mich schnell spannend und ich recherchierte zu diesem Thema. Mir wurde klar, dass sich hinter der Holografie tiefgründige Theorie und Mathematik verbirgt. Daraus ergeben sich dann tolle Anwendungen. Also entschloss ich mich, mich mit diesem Thema in meiner Seminararbeit zu beschäftigen. Ich glaube, dass sich hier in wenigen Jahren enorme Fortschritte zeigen. werden. Das gibt mir die Motivation für den Aufwand dieser Arbeit. Ich möchte die Holografie kurz und verständlich darstellen. Um die Holografie in der Praxis zu demonstrieren erhielt ich von meiner Schule ein sogenanntes „litiholo hologram kit“. Mit Hilfe dieses Pakets lassen sich dank moderner AufnahmeFilme in kürzester Zeit und mit geringem Aufwand Hologramme erstellen. An meiner Schule habe ich die Holographie-Technik ausprobiert. Doch leider gelang es nicht ein perfektes Hologramm zu erstellen. Ich begab mich auf Fehlersuche und suchte Rat bei Dr. Silke Stähler-Schöpf, der Leiterin des PhotonLabs. In den Sommerferien hatten wir Zeit ein Treffen zu arrangieren um im Schülerlabor zu experimentieren. Schnell fanden wir die Ursache für die Schwierigkeiten. Mein Laser in der Schule hatte eine zu geringe Leistung. Mit der Ausrüstung im Schülerlabor war das aber kein Problem. Nachdem wir die Ursache gefunden hatten, ging alles sehr schnell: Im Lauf des Vormittags erstellten wir noch vier Hologramme, wobei zwei davon mit der Erweiterung „Reflection Hologram Kit Upgrade“ aufgenommen wurden. Wir bannten ein Auto auf den Hologrammfilm. Wir belichteten den Film mit dem Motiv, indem wir die eine Hälfte eines aufgeweiteten Laserstrahls auf das Auto lenkten. Dort wurde das Licht reflektiert traf anschließend als so genannter Objektstrahl den Film. Die andere Hälfte des Laserstrahls gelangte als Referenzstrahl direkt auf den Film und beide Teilstrahlen konnten im Film interferieren und ihn auf charakteristische Weise belichten. Durch die erneute Beleuchtung des Films mit dem kohärenten Licht des Lasers ist das Objekt, in unserem Fall das Spielzeugauto, als dreidimensionales Bild sichtbar. Das Erweiterungs-Kit ermöglicht es zudem, die Hologramme auch ohne Laser, nämlich mit weißem Licht, sichtbar werden zu lassen. Dann schlossen wir noch ein Experiment an, bei dem ein belichteter Film halbiert wurde. Zu meinem Erstaunen war das Hologramm trotzdem noch in jedem Teilstück komplett zu sehen. Der Tag im PhotonLab war für meine Seminararbeit eine wegweisende Stütze. Ich konnte die Holografie in der Praxis umsetzen und nebenbei noch viel Faszinierendes zum Thema lernen. Vielen Dank für einen spannenden und lehrreichen Tag! Simon Lukas 12 13 www.munich-photonics.de Am Puls Neues aus dem PhotonLab 14 Wie schnell ist das Licht? Jann-Lukas vom Maria-Theresia-Gymnasium München hat sich im PhotonLab mit der Natur des Lichts beschäftigt. Die Ergebnisse baut er in seine Seminararbeit ein. L icht...bei Licht muss ich als erstes daran denken, dass es unvorstellbar schnell ist. Und genau davon handelt meine Seminararbeit im Fach Physik unter dem Motto „Grenzfragen der Physik“ am Maria-Theresia-Gymnasium München. Dort schreibe ich meine Seminararbeit mit dem Titel „Lichtgeschwindigkeit - Die Bedeutung der Konstante „c“. Zuerst geht es darum zu zeigen wie schnell Licht ist. Mit der Darstellung unterschiedlicher Messmethoden leite ich meine Arbeit ein. Dazu konnte ich im Schülerlabor PhotonLab des Munich-Centres for Advanced Photonics am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ein Experiment durchführen, dessen Ziel die Bestimmung von „c“ war. Ich habe Lichtpulse durch eine Linse auf einen Reflektor geleitet und die Zeit gemessen, die das Licht für die Strecke zum Reflektor und zurück braucht. Da diese Zeitdifferenz im Nanosekunden-Bereich liegt, kann man diese natürlich nicht mit einer Stoppuhr messen. Deswegen habe ich ein Oszilloskop benutzt. Nach ein wenig „Rumgetüftel“ hat alles funktioniert und ich konnte meinen Versuch über unterschiedlichste Distanzen ausprobieren. Ich habe von circa fünf bis 35 Meter alle zwei Meter eine Messung durchgeführt und näherte meine Messergebnisse dem realen Wert in der Natur sehr gut an. Fehlerquellen, wie eine falsch ausgerichtete Linse, konnte ich dank einiger Hilfe schnell erkennen und beseitigen. Ich habe die gemessene Laufzeit des Lichts zwischen seiner Quelle und dem Reflektor in Sekunden umgerechnet und die Distanz durch diese Zeit geteilt und somit die Geschwindigkeit nach der bekannten Formel „Weg durch Zeit gleich Geschwindigkeit“ herausbekommen. Die Distanz konnte ich mithilfe eines kommerziellen Distanzmessgeräts relativ genau bestimmen. Rückblickend hat mir der Tag am MPQ viel Spaß gemacht und ich kann die Ergebnisse gut in meine Seminararbeit einbauen. Jann-Lukas Meier Mehr spannende Berichte von Besuchern des Schülerlabors könnnt ihr auf www.photonworld.de lesen. 15 www.munich-photonics.de Am Puls Spektrum GLÜHENDE BLUMEN, LUFTBALLONS UND ANDRANG IM LEX PHOTONICS Mehr als 10.000 Leute kamen am Tag der Offenen Tür ins Forschungszentrum Garching um Wissenschaft zu erleben. Das Programm begann um 11 Uhr, doch schon um 10 Uhr kamen die ersten Besucher zum LEX Photonics und wollten den ATLAS-Laser sehen. MAP-Doktoranden boten Führungen durch’s LEX an. Auf der Wiese gab es Action für Kinder: beim Luftballon-Wettbewerb wurden rund hundert Luftballons mit Postkarten auf die Reise geschickt. Wir sind gespannt, wo der Luftballon gelandet ist, der am weitesten fliegen konnte! Im Institute for Advanced Study gab es zudem noch Informationen zum Cluster, einen Vortrag von Prof. Matthias Kling und das Schülerlabor Photonlab mit einem Versuch. Den ganzen Tag über kamen Erwachsenen und Kinder und maßen ihre Haardicke. Die große Frage eines Vaters: „Sind meine grauen Haare dicker als die dunklen?“ Die Messung ergab: die dunklen sind dicker. Wer dann noch nicht genug hatte, konnte in der Black Box mit Knicklichten ein kreatives Foto schießen. Die Fotos gibt es auf facebook.com/munichphotonics. Karolina Schneider Im LEX Photonics war der Andrang groß (Foto oben). Unser Luftballon Weitflugwettbewerb war bei den jungen Gästen beliebt. Fotos: Naeser IM CENTRE FOR ADVANCED LASER APPLICATIONS FÜLLEN SICH DIE HALLEN Es ist soweit: im neuen Centre for Advanced Laser Applications (CALA) beginnt das Innenleben! Die ersten Lasertische sind angekommen und werden mit dem Kran in die Halle gehievt. Schon einer der kleineren Tische wiegt rund 800 Kilogramm. Die großen etwa 1,2 Tonnen. Auf diesen Tischen wird der Nachverstärker aufgebaut werden, der aus dem ATLAS 300 den ATLAS 3000 Laser machen wird. Dieser wird mit einer Leistung von drei Petawatt die primäre Lichtquelle für die lasergetriebenen Experimente werden. ks/Foto: Naeser 16 AUSGEZEICHNETES SPIEGEL - DESIGN Dr. Michael Trubetskov hat beim Design Wettbewerb (Optical Interference Coatings Topical Meeting 2016) der Optical Society of America vier erste Preise für seine Multilayer-Beschichtungen von Spiegeln gewonnen. Der Wettbewerb findet alle drei Jahre statt um die Möglichkeiten und Grenzen der Theorie und Software für SpiegelBeschichtungen auszuloten. Dabei konkurrierten 18 Teilnehmer aus Deutschland, den USA, Frankreich, Japan und China. Die Ergebnisse werden in einer Spezial-Ausgabe von Applied Optics (Vol. 56, 1. Februar 2017) erscheinen. Michael Trubetskov im Spiegel-Beschichtungslabor des Munich Centre for Advanced Photonics. Foto: Naeser EUROPÄISCHE PHYSIKALISCHE GESELLSCHAFT ZEICHNET REINHARD KIENBERGER AUS Prof. Reinhard Kienberger, Leiter des Lehrstuhls für Laser- und Röntgenphysik an der Technischen Universität München und MaxPlanck-Fellow am MPQ, wird von der Europäischen Physikalischen Gesellschaft (EPS) mit dem „2016 Prize for Research in Laser Science and Applications“ ausgezeichnet. Die EPS repräsentiert mehr als 100.000 Physiker. Der Preis für „Forschung in den Laser-Wissenschaften und -Anwendungen“ ist einer der höchsten Auszeichnungen für Laserphysik in Europa. Die Quantum Electronics & Optics Division der EPS verleiht Prof. Kienberger diesen Preis „in Anerkennung seiner schöpferischen Beiträge zur Etablierung von grundlegenden Techniken für die Attosekundenwissenschaft, sowohl mit Laser-basierten als auch mit Beschleunigerbasierten Strahlungsquellen“. Prof. Kienberger nahm den Preis auf der 7. EPSQEOD Europhoton Konferenz in Wien am 25. August 2016 bei einer Festveranstaltung entgegen. oms/Foto: Naeser 17 www.munich-photonics.de Am Puls Photoemission Zeptosekunden-Stoppuhr für den Mikrokosmos Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität, des Max-Planck Instituts für Quantenoptik und derTechnischen Universität München haben erstmals ein inneratomares Geschehen mit einer Genauigkeit von Billionsteln einer Milliardstel Sekunde aufgezeichnet. W enn Licht auf Elektronen in Atomen trifft, dann verändert sich deren Zustand in unvorstellbar kurzen Zeiträumen. Ein solches Phänomen, nämlich das der Photoionisation, bei dem ein Elektron ein Heliumatom nach Lichtanregung verlässt, haben Laserphysiker der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), des Max-Planck Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der TU München erstmals mit Zeptosekunden-Genauigkeit gemessen. Eine Zeptosekunde ist ein Billionstel einer Milliardstel Sekunde (10-21 Sekunden). Das ist die höchste Genauigkeit der Zeitbestimmung eines Ereignisses im Mikrokosmos, die jemals erreicht wurde und zudem die erste absolute Bestimmung des Zeitpunktes der Photoionisation. Trifft Licht auf die zwei Elektronen eines Heliumatoms, dann muss man unheimlich schnell sein um das Geschehen zu beobachten. Abgesehen von den ultrakurzen Zeiträumen, in denen sich Veränderungen abspielen, kommt die Quantenmechanik ins Spiel. Trifft 18 ein Lichtteilchen (Photon) auf die zwei Elektronen, kann es nämlich sein, dass die gesamte Energie des Photons entweder von dem einen Elektron aufgenommen wird oder aber dass eine Aufteilung stattfindet. In jedem Fall der Energieübertragung aber verlässt ein Elektron das Heliumatom. Diesen Vorgang nennt man Photoemission oder photoelektrischen Effekt. Albert Einstein hatte ihn Anfang des letzten Jahrhunderts entdeckt. Von dem Zeitpunkt an, an dem das Photon mit den Elektronen wechselwirkt bis zu dem Zeitpunkt an dem ein Elektron das Atom verlässt, dauert es zwischen fünf und fünfzehn Attosekunden (1 as ist 10-18 Sekunden). Das haben die Physiker bereits vor einigen Jahren herausgefunden (Science, 25. Juni 2010). Mit ihrer nun verbesserten Messmethode können die Laserphysiker das Geschehen bis auf 850 Zeptosekunden genau messen. Die Forscher schickten zur Anregung der Elektronen einen Attosekunden langen extrem ultravioletten Lichtblitz (XUV) auf ein Heliumatom. Gleichzeitig ließen sie einen zweiten infraroten Laserpuls auftreffen, der rund vier Femtosekunden dauerte (1fs ist 10-15 Sekunden). Sobald das Elektron durch die Anregung des XUV–Lichtblitzes das Atom verlassen hatte, wurde es vom infraroten Laserpuls erfasst. Je nachdem wie gerade das elektromagnetische Feld dieses Pulses zum Zeitpunkt der Erfassung beschaffen war, wurde das Elektron beschleunigt oder abgebremst. Über diese Geschwindigkeitsveränderung konnten die Physiker mit Zeptosekunden-Genauigkeit die Photoemission erfassen. Zudem konnten die Forscher erstmals bestimmen wie die Energie des einfallenden Photons sich auf die beiden Elektronen des Heliumatoms in wenigen Attosekunden vor der Emission eines Teilchens quantenmechanisch verteilt hatte. „Das Verständnis dieser Vorgänge im Heliumatom bietet uns für künftige Experimente ein enorm verlässliche Basis“, erklärt Dr. Martin Schultze, der Leiter der Experimente am MPQ. Die Physiker konnten nämlich die Präzisi- on ihrer Experimente bis auf Zeptosekunden-Genauigkeit mit den theoretischen Vorhersagen ihrer Kollegen vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien korrelieren. Mit seinen zwei Elektronen ist Helium das einzige System, das sich vollständig quantenmechanisch berechnen lässt. Damit bietet es sich geradezu an, Theorie und Experiment unter einen Hut zu bringen. „Wir können jetzt in dem verschränkten System aus Elektron und ionisiertem Helium- Mutteratom aus unseren Messungen die komplette wellenmechanische Beschreibung des Systems ableiten“, sagt Schultze. Mit ihren Metrologie-Experimenten in Zeptosekunden-Zeitdimensionen haben die Laserphysiker damit ein weiteres wichtiges Puzzlestück in der Quantenmechanik des Heliumatoms an die richtige Stelle manövriert und die Messgenauigkeit im Mikrokosmos erstmal in ganz neue Dimensionen vorangetrieben. Th. Naeser Nachdem ein Lichtteilchen ein Elektron aus einem Heliumatom entfernt hat, kann man die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten des verbliebenen Elektrons berechnen. Je heller die Bereiche im Bild dargestellt sind desto wahrscheinlicher ist sein Aufenthaltsort rund um den hier nicht sichtbaren Atomkern. Bild: Schultze/Ossiander Originalpublikation: M. Ossiander et al.; Attosecond correlation dynamics; Nature physics, 7. November 2016, doi: 10.1038/nphys3941. 19 www.munich-photonics.de Am Puls Festschrift for the exhibition of the first laser at the MPQ From the middle of December onwards, mankind‘s first laser can be seen in the foyer of the Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching. It was designed and constructed by Theodore Maiman and announced to the world in 1960. On the following pages you can find a review on this historical event as well as current information about the future perspectives of laser technology in the coming years. Race to the laser In 1960, the laser was invented. Many scientists and labs were in the competition. A lbert Einstein theorized about stimulated emission of radiation in 1917. Stimulated emission at the microwave frequency was realized with invention of the maser in 1953. But only after the publication of an article in 1958 did the race begin to develop a laser - a device to create coherent light, moving up the electromagnetic spectrum 10,000-fold from microwaves. By 1960 scientists at labs around the world were engaged in the pursuit of a laser, including laboratories at Massachusetts Institute of Technology (MIT), International Business Machines Corporation (IBM), Bell Labs, Westinghouse, and Columbia University. Many scientists involved in the effort even became skeptical about the feasibility of a laser. But the race was won by a young maverick physicist, working on scant funds at the relatively obscure Hughes Research Laboratories. On May 16, 1960, Theodore Maiman succeeded in achieving the stimulated amplification of visible light for the first time using his own solid-state ruby crystal design. Maiman presented his results at a July 7 press conference, causing a huge media scramble. A headline in the New York Times proclaimed: “Light Amplification Claimed by Scientist”. In the following weeks, Maiman obtained higher-quality crystals with which to further hone the quality of his laser light from its initial large opening angle. The announcement of Maiman’s success spurred other scientists to ramp up work on their laser projects. Researchers at Bell Labs quickly produced a laser based on the Maiman design, while others pursued their own design concepts based on hot gaseous vapors or cryogenics. 20 Picture: Maiman archive Maiman’s first publication on the laser, “Stimulated Optical Radiation in Ruby” appeared in the journal Nature in August 1960, including the results of his first measurements. In October a publication from Bell Labs scientists followed in Physical Review Letters, citing Maiman’s Nature article and providing further verification of the ruby laser’s efficacy. Those pursuing other types of lasers included a Bell Labs team led by Arthur Schawlow and Wolfgang Kaiser, who focused on helium-neon gas as a lasing medium. Various types of lasers emerged in rapid succession following Maiman’s demonstration that a laser was feasible. A Bell Labs project under Ali Javan produced a continuous gasdischarge laser in the invisible infrared range at the end of 1960. Lasers of many varieties including semiconductor designs arrived in the following years. This new technology for generating coherent light promised an infinite number of possible applications. 21 www.munich-photonics.de Am Puls Festschrift for the exhibition of the first laser at the MPQ “It’s only pulsed! Only 3 milliseconds!” That’s what competing scientists exclaimed when the startling news hit that Theodore Maiman had created the world’s first laser. Others were seeking a continuous beam using complex cryogenic gaseous systems. Because man had not yet achieved coherent light, Ted sought simplicity in his design. He chose to pursue a solid-state system that could operate at room temperature using readily available materials. His synthetic pink ruby crystal had been declared unworkable by gurus of the day. Yet, Maiman’s design succeeded and has remained the workhorse of lasers. Pulsed lasers operating at ever-shorter times, moving to femtoseconds (one-millionth of one-billionth of a second) and now to attoseconds (one-billionth of one-billionth of a second) are pushing new frontiers of science. Today Ted would say, “Congratulations to the Max Planck Institute of Quantum Optics!” Kathleen Maiman 22 “Do It!” It was the afternoon of May 16, 1960; it was time to confirm or deny all the fears of why the “ruby can`t work“; Or why “lasers can`t be made to work.” No more new calculations, no more diversionary experiments. This was the moment of truth! The laser head was mounted on a workbench. The flashlamp was connected to the power supply. The trigger electrode was connected to the spark coil, (the mechanism that initiates the flash from the strobe lamp). The light output from the coupling hole in the end of the ruby was directed through the Bausch and Lomb monochromator to a photomultiplier tube. The electrical signal from the photomultiplier was connected to a Hughes Memoscope. Irnee D`Haenens and I were the only ones performing and observing the experiment. We first took a test shot so that we could adjust the monitoring equipment. We turned up the power supply to about 500 volts. We fired the flashtube. Indeed, we observed a trace on the Memoscope! Pictures: Thorsten Naeser, Maiman archive That trace was a recording of the red ruby fluorescence. The decay in the trace was about three milliseconds, the lifetime of the upper possible laser level. We made the appropriate adjustments to optimize the monitor display. We continued. We progressively increased the supply voltage, each time monitoring and recording the light output trace. As we did so, the peak output increased proportionately to the energy input and the decay time remained the same ... So far, so good. But, when we got past 950 volts on the power supply, everything changed! The output trace started to shoot up in peak intensity and the initial decay time rapidly decreased. Voilà. This was it! The laser was born! Theodore Maiman remembers the day when the laser worked for the first time. (Extract from his book „The Laser Odyssey“) 23 www.munich-photonics.de Am Puls Festschrift for the exhibition of the first laser at the MPQ “No longer an elusive dream“ Thank you, and good morning, ladies and gentlemen, We are here today to announce to you that man has succeeded in achieving a goal that scientists have sought for many years. For the first time in history a source of “coherent” light has been attained. This is another way of saying that the long-sought “laser” is no longer an elusive dream but, is indeed, an established fact. “Laser” is an acronym derived from the first letters of the principal words of the phrase: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. Many of you are, I am sure, at least generally familiar with the device called a „maser“ - from “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” - which operates in the microwave range of frequencies. The laser amplifies and generates coherent energy in the optical, or light, region of the spectrum; for the reason the laser is sometimes called an “optical maser”. I have here a laser which I have brought with me from the Hughes Aircraft Company`s research laboratories in Southern California; it will be passed among you presently for closer inspection. As you can see its size might be described as similar to that of a glass tumbler. This laser is a new solid-state device. It is this device which is today being used to generate coherent light in our laboratories. Just what coherent light is and why it is so important I will try to explain briefly in a few moments… Speech by Dr. Theodore H. Maiman, Hughes Aircraft Company, at a press conference at the Hotel Delmonico, New York, July 7. 1960. 24 25 www.munich-photonics.de Am Puls Festschrift for the exhibition of the first laser at the MPQ Light of the future Research at the MPQ W hat’s next for the laser? Researchers develop bold visions for how light might be exploited in the future. A team lead by Professor Stephen Hawking is pursuing the idea of reaching the 4.37 light-years distant solar system Alpha Centauri by using sailing-like miniature spaceships. The probes are driven by light pressure that is generated by lasers from the earth. At the Max Planck Institute of Quantum Optics, scientists are working on a range of innovative laser-based technologies. Prof. Immanuel Bloch and his colleagues use laser beams to create so-called optical lattices in which ultracold atoms can be confined in a precisely defined spatial order, analogous to the crystalline order of a conventional solid. Because such light-cages permit one to control the positions of the atoms and observe their dynamics, they can be used to model and predict the properties of novel solids. This is a powerful strategy that provides insights into fundamental processes at the quantum level, which are relevant to our understanding of phenomena such as superconductivity and magnetism, and the design of quantum information storage and processing systems. Meanwhile, Prof. Theodor W. Hänsch and his team have developed ways to measure resonance frequencies in simple atomic systems with extreme precision. In this way, they can determine fundamental constants and search for new physics, such as conceivable slow changes of constants of nature. 26 Pictures: Immanuel Bloch, Thorsten Naeser, Christian Hackenberger Studies carried out by theoretician Prof. Ignacio Cirac and his group have laid much of the groundwork for the realization of quantum computers. Among the issues they are examining is how the counterintuitive properties of quantum particles can be exploited to enhance the efficiency of information exchange. Prof. Gerhard Rempe and his coworkers are exploring new approaches to data processing and transmission. With the aid of the quantum mechanical phenomenon of entanglement, they are using photons to link ensembles of atoms into extensive quantum networks, providing a potential basis for interaction and communication in future quantum computers. Prof. Ferenc Krausz utilizes ultrashort light pulses to investigate the motions of electrons. Someday, it may be possible to control the behaviour of these elementary particles in a targeted fashion by means of light, and thus to intervene in the fundamental interaction that underlies virtually all the processes that we observe in nature. Such a breakthrough would enable us to treat illnesses by realigning the uncontrolled or misdirected transport of electrons. The ability to manipulate electron dynamics on ultrashort time scales could also revolutionize data processing. Optical control of electronic signals would boost digital switching frequencies by a factor of 100,000 relative to today’s computer systems. 27 www.munich-photonics.de Am Puls Festschrift for the exhibition of the first laser at the MPQ “I met Ted Maiman in 1984 when we were both flying to our homes in California from Washington, DC. He had his eye on me during the flight, and when we disembarked we “happened” to be walking together. To break the silence, I asked questions about the purpose of his trip. Because he would only say “yes” or “no,” I humorously asked whether he had travelled to dine with the president. His answer was “almost”, which was explained by his induction into the National Inventors Hall of Fame, at which President Reagan had been expected but didn’t attend. As I got to know Ted, I was impressed with both his humility and his ability to quickly penetrate to the heart of an issue, be it a technical, political, or everyday matter. I also learned of Ted’s passion for the laser’s medical and dental applications, which were growing over the years. With Ted, I attended many laser-related conferences. I also had an opportunity to view first-hand heart-bypass using a laser to build new channels through the heart, laser photo-dynamic treatment of an otherwise incurable nose cancer, and laser-aided removal of fat tissues to widen Asian eyes. We were able to share the satisfaction of Ted’s awards in Japan, Israel, Taiwan, Germany, and Argentina as well as meeting high officials such as the Emperor of Japan. Ted relaxed by continually thinking up new inventions both laser-related and in areas outside his expertise. He was an inveterate doodler of new devices and filled many notebooks with his mathematical formulae and calculations. Among his other creations were a device to distill fresh water from the atmosphere, a plan for a vertical-takeoff aircraft, and an operational large-screen thin-profile laser television (years before these became common). Wherever we lived Ted had a home workshop, which he used to test out his ideas. While developing the first laser at Hughes Aircraft, Ted would play chess with his assistant Irnee D’Haenens to relieve stresses of the workplace. And Ted was highly sociable with others from all walks of life with wide-ranging interest in diverse experiences and viewpoints.” Kathleen Maiman 28 Am Puls Attosekundenphysik Mit Laserpulsen zur schnellen Elektronik F ür eine Steigerung der Geschwindigkeit von elektronischen Geräten müssen neue Wege beschritten werden. Dies hat nun eine Gruppe von Laserphysikern um Dr. Eleftherios Goulielmakis, Leiter der Forschungsgruppe Attoelectronics im Labor für Attosekundenphysik am Max-Planck-institut für Quantenoptik gemacht. Die Forscher haben erstmals mit kurzen Laserpulsen Elektronen in festen Stoffen zum Schwingen gebracht und damit Ströme erzeugt, die die Frequenz des sichtbaren Lichtes um mehr als das Zehnfache übertreffen (Nature, 20. Oktober 2016, DOI: 10.1038/nature 19821). Dabei experimentierten sie mit Siliziumdioxid. Sobald dieses Material intensiven Laserpulsen ausgesetzt wurde, stieg seine Leitfähigkeit um mehr als 19 Größenordnungen. So schnelle elektrische Ströme können konventionelle elektronische Techniken weder erzeugen noch erfassen. „Wir haben für die Stromerzeugung Laser verwendet, weil sie die Elektronen in Festkörpern in extrem schnelle Schwingungen versetzen“, sagt Manish Garg, Doktorand in der Gruppe Attoelectronics und Erstautor der Veröffentlichung. Doch warum bringen Laser diesen Fortschritt? In konventionellen Schaltkreisen werden die Elektronen von dem elektrischen Feld der Stromquellen, etwa Batterien, zu Schwingungen angestoßen. Auch wenn alle Elektronen anfangs der Kraft des Batteriefeldes folgen, stoßen sie gelegentlich mit langsameren Teilchen wie Atomen oder Ionen zusammen und verlieren dadurch ihre Synchronizität. Von intensiven Lichtfeldern dagegen werden die Elektronen in extrem kurzer Zeit beschleunigt. Deshalb geraten sie in Schwingungen und erzeugen elektrischen Strom, bevor ihnen andere Teilchen in die Quere kommen. Die so nachgewiesenen Ströme sind etwa eine Million mal schneller als die in einem gängigen modernen Computerprozessor. Die Experimente könnten den Weg ebnen, in den kommenden Jahren elektronische Geräte zu entwickeln, die eine Million mal schneller als heutige sind. Bild: Goulielmakis www.munich-photonics.de IMPRESSUM AM PULS - 2/2016 Der Newsletter des Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), gefördert durch die Exzellenzinitiative der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Herausgeber: Pressebüro des Munich-Centre for Advanced Photonics, Garching bei München Redaktion: Thorsten Naeser und Karolina Schneider, Leonie Schaumann (Übersetzungen), Mandy Singh (Übersetzungen) Layout: Thorsten Naeser Titelbild: Marcus Ossiander und Martin Schultze Anschrift der Redaktion: MAP-Pressebüro, Am Coulombwall 1, 85748 Garching E-Mail: [email protected], [email protected] Tel.: 089 32905 124 oder 089 289 14096 Der Newsletter erscheint in seiner dritten Druckausgabe mit Unterstützung der Firma Menlo Systems.