Neue Einblicke in die Nanowelt

Jenaer Physiker entwickeln einen leistungsstarken XUVLaser in Laborgröße – Konkurrenz für große Teilchenbeschleuniger

JENA. Was passiert im Inneren von Atomen und Molekülen, wenn sie eine chemische Bindung eingehen? Und wie sieht es aus, wenn Licht mit optischen Nanomaterialien interagiert? Diese Fragen regen nicht nur die Neugier von Forschern an, sondern sie motivieren sie auch, zu immer besseren technischen Lösungen zu kommen, um Antworten zu finden.

Wollen Forscher heute chemische Reaktionen in Echtzeit verfolgen oder die Bewegung von Ladungsträgern beobachten, nutzen sie intensive Extrem-Ultraviolette (XUV) Strahlung. Doch die stammt nicht aus einer gewöhnlichen Gasentladungslampe.

„Für solche Anwendungen braucht es kohärentes, extrem kurz gepulstes XUV-Licht“, erklärt Jens Limpert von der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Erzeugt werden solche XUVPulse zumeist in riesigen Teilchenbeschleunigern, etwa dem XFEL in Hamburg, dessen 3,4 Kilometer lange unterirdische Anlage gerade erst in Betrieb genommen wurde. Oder in Ringbeschleunigern, sogenannten Synchrotrons, mit mehreren hundert Metern Durchmesser. Doch der Zugang für Forscher zu diesen leistungsstarken Großanlagen sei begrenzt und nicht alle wissenschaftlichen Fragestellungen ließen sich damit hinreichend untersuchen, erklärt er, was die Entwicklung von vergleichsweise „handlichen“Lasersystemen motiviert.

Jenaer Physiker haben jetzt einen Versuchsaufbau entwickelt, mit dem sich ultrakurze, intensive XUV-Pulse in praktisch jedem Optik-Labor produzieren lassen. In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Optica“haben sie ihre Erfindung vorgestellt.

Die Jenaer zeigen, wie sich XUV-Pulse mit deutlich höherer Effizienz erzeugen lassen, als das bislang mit Systemen dieser Größenordnung möglich war. Dazu werden Laserpulse in einem doppelbrechenden Kristall fokussiert, wobei die Frequenz des ursprünglich infraroten Lichts verdoppelt wird. Das Ergebnis sind Laserpulse im grünen Wellenlängenbereich. Diese werden in einem zweiten Schritt der sogenannten kaskadierten Frequenzkonversion erneut fokussiert, woraus noch höherfrequente Pulse im XUV resultieren. Auf diese Weise entstehen spektral schmalbandige und kohärente XUV-Pulse mit einer Leistung im Milliwatt-Bereich. Ihre Wellenlänge beträgt nur noch 57 Nanometer.

„Übliche Systeme kommen lediglich auf ein Hundertstel dieser Leistung, während unsere Faserlaser basierten Systeme typischerweise etwa 100 µW Durchschnittsleistung liefern – diese neuartige Methode ist nun nochmals eine Größenordnung besser“, betont Doktorand Robert Klas, der die neuartige Quelle gemeinsam mit seinen Kollegen im Labor seines Instituts für Angewandte Physik realisiert hat.

Dank dieser Technik seien die XUV-Quellen nun auch für praktische Anwendungen einsetzbar, welche am HelmholtzInstitut in Jena bearbeitet würden. Die Nachwuchsgruppe von Jan Rothhardt etwa verfolgt dort das Ziel, dreidimensionale Strukturen mit einer Auflösung von wenigen 10 Nanometern mit neuen bildgebenden Verfahren sichtbar zu machen. davon erhoffen sich die Wissenschaftler völlig neue Einblicke in die Nanowelt.

Nur wenige arbeiten an teuren Mammutgeräten Noch um eine Größenordnung besser

Physik-Doktorand Robert Klas vom Institut für Angewandte Physik der Jenaer Universität an einem Kurzpulslaser. Er und seine Kollegen stellen in einer neuen Publikation einen Versuchsaufbau vor, mit dem sich ultrakurze Röntgenpulse erzeugen lassen....