Licht-Tsunami

14. Mai 2019, 12:59 Uhr
Subzykluswelle. Bild: Chalmers University of Technology.
Subzykluswelle. Bild: Chalmers University of Technology.
Forscher der Chalmers University of Technology und der University of Göteborg schlagen völlig neue Strahlungsquellen vor: ultra-intensive Lichtimpulse aus einer einzelnen Welle, einer Art Licht-Tsunami. Dieser starke Impuls eignet sich auf einzigartige Weise zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Materie und Licht.

Ultra-intensive Lichtimpulse

Laut Illia Thiele, theoretische Physikerin an der CUT, lässt uns „diese Strahlungsquelle die Realität aus einem neuen Blickwinkel betrachten – wie wenn man einen Spiegel drehen würde und etwas ganz anderes entdeckt." Zusammen mit Evangelos Siminos von der Universität Göteborg und Tünde Fülöp von der CUT präsentiert Illia Thiele nun eine theoretische Methode zur Erzeugung der schnellsten Einwellenbewegung. Diese Art von Strahlung wurde bisher weder im Universum noch im Labor beobachtet.

Diese Strahlung eignet sich auf einzigartige Weise zur Untersuchung verschiedener Materialien. Da sie eine ultraschnelle Umschaltung der Wechselwirkungen zwischen leichter Materie ermöglicht, kann sie in der Materialwissenschaft oder bei der Forschung an Sensoren sehr nützlich sein. Darüber hinaus kann sie zur Genese anderer Arten von Strahlung verwendet werden und die Grenzen kurzer Lichtimpulse verschieben.

Illia Thiele ergänzt: „Ein ultra-intensiver Impuls ist wie ein großer Licht-Tsunami. Die Welle kann ein Elektron aus einem Atom herausschlagen, es auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und exotische Quantenzustände erzeugen. Dies ist der schnellste und stärkste Schalter überhaupt und ebnet den Weg für weitere Fortschritte in der Grundlagenforschung."

Mit diesen Lichtimpulse kann man Materie auf einzigartige Weise untersuchen und steuern. Während Lichtimpulse aus mehreren Wellenperioden allmählich Veränderungen der Materialeigenschaften bewirken, verursachen Impulse aus einer einzigen starken Wellenperiode plötzliche und unerwartete Reaktionen.

Forscher auf der ganzen Welt haben sich an dieser Strahlungsquelle versucht, da sie für die Physik und die Materialwissenschaft von großem Interesse ist. Tünde Fülöp hofft: „dass wir unser theoretisches Konzept in Labor umsetzen können. Unsere Methode könnte helfen, die bestehenden Lücken in der wissenschaftlichen Betrachtung von Lichtquellen zu schließen.“

Der wissenschaftliche Aufsatz Electron beam driven generation of frequency-tunable isolated relativistic sub-cycle pulses erschien kürzlich in den Physical Review Letters.

Subzyklusimpulse

Die Forscher schlagen ein Verfahren zur Erzeugung ultra-intensiver Lichtimpulse vor, welche weniger als eine einzelne Schwingung des elektromagnetischen Feldes enthalten. Mit diesen sogenannten Subzyklusimpulsen kann man Materie auf einzigartige Weise untersuchen und steuern. Herkömmliche Verfahren können Subzyklusimpulse nur mit begrenzter Feldstärke erzeugen. Ab einem bestimmten Wert würde das verstärkende Medium durch die intensiven Felder ionisiert.

Die Forscher schlagen daher vor, einen Elektronenstrahl in einem Plasma als Verstärkungsmedium für einen elektromagnetischen Impuls zu verwenden, das keine Zerstörungsschwelle kennt. Um sicherzustellen, dass die Energie vom Elektronenstrahl auf den Impuls so übertragen und tatsächlich ein Subzyklusimpuls erzeugt wird, muss der Strahl in einer geeigneten Phase der Schwingung des elektromagnetischen Feldes eingebracht werden. Dies kann durch die Verwendung eines Spiegels erreicht werden, der den Impuls während der Injektion des Elektronenstrahls reflektiert. Dieses Szenario führt zu einer signifikanten Verstärkung des Impulses und der Bildung eines intensiven, isolierten Subzyklusimpulses. Leicht verfügbare Terahertz-Impulse und Elektronenbündel aus Laser-Plasma-Beschleunigern könnten im mittleren Infrarotbereich Subzyklusimpulse mit Energien Millijoule-Bereich erzeugen, was mit konventionellen Quellen nicht erreicht werden kann.
 
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