Kontrolle intensiver Lichtfelder

Licht-Materie Wechselwirkungen erlangen eine immer größere Bedeutung in der Physik, Chemie, Biologie aber auch in vielen Bereichen der Technik. Ultrakurze Lichtpulse sind imstande, die physikalische Eigenschaften, aber auch die chemische Zusammensetzung oder die biologische Funktion von verschiedenen Formen der Materie kontrolliert zu verändern. So ist es kürzlich möglich geworden, ausgewählte chemische Bindungen in Molekülen aufzubrechen und auf diese Weise den Ablauf chemischer Reaktionen zu lenken. Ähnlich läßt sich die Struktur von Proteinen durch die Bestrahlung mit kurzen Lichtblitzen und somit ihre biologische Funktionsweise beeinflussen. Ultrakurze Lichtpulse können aber auch elektrischen Strom ultraschnell ein- und ausschalten und dadurch einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung leistungsstärkerer Computer odere anderer elektronischer Geräte, beispielsweise für Telekommunikation, liefern. Die allerschnellsten atomaren Bewegungen, die eine Veränderung chemischer oder biologischer Eigenschaften herbeiführen, so wie auch die rapideste Ladungsträgerdynamik in Halbleitern, die die Geschwindigkeit elektronischer Geräte letzten Endes begrenzen, laufen im Femtosekundenbereich ab. Laserpulse mit Pulsdauern unter 10 fs erlauben uns, diese Prozesse in Gang zu setzen und anschließend deren Ablauf zu beobachten. Der Bedeutung dieser Fortschritte für die chemischen und biologischen Wissenschaften wurde u.a. mit dem Chemie- Nobelpreis in 1999 Rechnung getragen. Gibt es einen Bedarf für Kontrolle und Messung mikroskopischer Prozesse auf einer noch kürzeren Zeitskala, im Bereich einer Femtosekunde und darunter? Ja, es gibt! Stark angeregte Atome kehren - durch die Relaxation ihrer Elektronen - in ihren Grundzustand in der Regel binnen 1 fs oder noch schneller zurück und emittieren dabei Röntgenstrahlung! Diese unvorstellbar schnellen inner-atomaren Prozesse spielen eine fundamentale Rolle bei der Entwicklung kompakter, laserähnlicher Röntgenquellen, deren erwartete Auswirkungen auf die Wissenschaft und Technik kaum zu überschätzen sind. Voraussetzung für die Untersuchung und Beeinflussung dieser Prozesse ist die Messung sowie Kontrolle des zeitlichen Verlaufes des Lichtfeldes innerhalb deren Schwingungsperiode (1-3 fs, je nach Farbe der Strahlung). Hochintensive Lichtpulse mit bekanntem und kontrolliertem Verlauf des Lichtfeldes werden erstmals direkten Einblick in den Verlauf dieser Prozesse und deren Steuerung auf einer Sub-fs-Zeitskala (< 1 fs) erlauben. Diese technische Fähigkeit, deren Entwicklung im Mittelpunkt unseres Projektes steht, wird die Grenzen der Wissenschaft spektakulär verschieben und in zahlreichen Bereichen der Wissenschaft und Technik neue Möglichkeiten eröffnen.

Das Projekt hat zur Realisierung einer Hochleistungslaserquelle geführt, die erstmals intensive, aus wenigen Wellenzyklen bestehende Lichtpulse mit einem vollständig kontrollierten Verlauf des elektromagnetischen Feldes erzeugt. Die Arbeit wurde in 2003 in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und ist eine der meistzitierten jüngsten Veröffentlichungen im Bereich der Physik (www.esi-topics.com/nhp/2004/may-04- FerencKrausz.html). Kontrollierte Lichtwellen erlauben erstmals die Steuerung von Elektronen innerhalb von Atomen und Molekülen auf einer Attosekunden-Zeitskala und eröffnen völlig neue Perspektiven in der Erforschung und Kontrolle des Mikrokosmos. Die darauf basierende Attosekundentechnologie ebnet den Weg zur Entwicklung schnellerer Mikrochips, sowie zur ultimativen Kontrolle chemischer Reaktionen und Veränderung der Form und somit Funktion von Biomolekülen.