Quantenoptik: Ultraschnelle und Starkfeldprozesse

Die Ultrakurzpuls-Lasertechnik stellt eines der sich am rasantesten entwickelnden Teilgebiete der Quantenoptik dar. Hochintensive Laserpulse mit einer Dauer im Bereich der Licht-Oszillationsperiode sind nun dabei, neue Forschungsgebiete in der Physik, Chemie und Biologie zu eröffnen. Atome, die mit diesen Lichtpulsen bestrahlt werden, sind in der Lage, "blitzartig" Röntgenstrahlung mit einer vorhin unerreichten Pulsdauer von weniger als einer Femtosekunde (1 Femtosekunde ist eine billiardstel Sekunde) auszusenden. Mit derart kurzen Röntgenblitzen können wir uns erstmals Zugang zur Bewegung von Elektronen innerhalb von Atomen verschaffen und den zeitlichen Ablauf der Elektronenbewegung studieren. Diese Prozesse spielen sich meistens in Ortsräumen ab, die selbst mit den besten Mikroskopen nicht aufgelöst werden können. Eine sub-atomare Auflösung im Zeitbereich wird also zur Realität, (vermutlich) lange bevor sub-atomare Auflösung im Ortsraum erzielt werden kann. Von dieser hochauflösenden "Zeitmikroskopie" werden neue Erkenntnisse über elektronische Prozesse erwartet, die eine Schlüsselrolle für die Entwicklung moderner Quellen leistungsstarker laserähnlicher Röntgenstrahlen spielen dürften. Die Erzeugung von aus wenigen Lichtschwingungen bestehenden Lichtpulsen kann seit kurzem so präzise kontrolliert werden, dass der zeitliche Ablauf der elektromagnetischen Lichtfelder von Puls zu Puls nahezu exakt reproduziert werden kann. Mit diesen "synthetisierten" Lichtwellen lässt sich die Bewegung geladener Teilchen (Elektrone, Protone, Ione) mit vorher unerreichter Präzision lenken. Die kontrollierte Beschleunigung von geladenen Teilchen ebnet den Weg zu neuartigen kompakten Quellen kohärenter Röntgenstrahlen sowie hochenergetischer Teilchen. Die möglichen Anwendungen solcher Quellen reichen von der Strukturanalyse in Materialwisschenschaften und in Molekularbiologie bis hin zu Krebsdiagnose und -therapie. Forschung, die auf die Ausweitung der Grenzen der ultraschnellen Optik abzielt, bietet das Potential für die Entwicklung neuer Verfahren und Techniken für die Grundlagenforschung wie auch - längerfristig - für industrielle oder klinische Anwendungen. Diese Perspektiven stellen die treibende Kraft für meine Forschungsaktivitäten in den kommenden Jahren dar.