Dreidimensionale Laserfelder bringen Elektronen in neue Quantenzustände

Forschende der Universität Oldenburg haben zwei verschiedenfarbige, polarisationgeformte Femtosekunden-Laserpulse aus unterschiedlichen Richtungen überlagert. Dort, wo sich die Pulse trafen, entstand ein steuerbares Lichtfeld, das sich in drei Dimensionen verändert. Mit diesem Feld ionisierte das Team Kaliumatome und beobachtete freie Elektronen mit Drehimpuls-Wellenpaketen, die durch die Mehrphotonen-Ionisation von Atomen entstanden. 56

Das Experiment zeigt, dass sich mit dreidimensional geformtem Licht Elektronen-Wellenpakete erzeugen und untersuchen lassen, die mit den in der Studie verwendeten Lichtfeldern bislang nicht zugänglich waren. Es handelt sich um einen Machbarkeitsnachweis an Atomen – nicht um eine Demonstration an Molekülen. 56

Wie das dreidimensionale Lichtfeld entstand

Die Polarisation eines Laserimpulses beschreibt, in welche Richtung sein elektrisches Feld schwingt. Die Forschenden formten die Polarisation zweier verschiedenfarbiger Pulse und ließen sie schräg aufeinandertreffen. So entstand ein gemeinsames Feld, das sich räumlich in drei Dimensionen verändert, statt auf eine Ebene beschränkt zu sein. 56

Diese Anordnung gab dem Team eine zusätzliche Möglichkeit, das Lichtfeld zu steuern, das mit den Kaliumatomen wechselwirkte. Die Atome nahmen mehrere Photonen auf und wurden ionisiert. Dabei entstanden freie Elektronen, deren Drehimpuls-Wellenpakete beobachtet werden konnten. 56

Was der Versuch mit Kalium gezeigt hat

Das zentrale Ergebnis ist die beobachtete Erzeugung freier Elektronen mit Drehimpuls-Wellenpaketen durch die Mehrphotonen-Ionisation von Atomen mit dreidimensionalen Lichtfeldern. Die sorgfältige Strukturierung des Lichts kann Zustände hervorbringen und zugänglich machen, die mit den in dieser Studie eingesetzten Lichtfeldern nicht erreichbar waren. 56

Wichtig ist die Abgrenzung: Das Experiment zeigt keine Methode, mit der sich bereits chirale Moleküle erkennen oder trennen lassen. Es weist vielmehr auf einen möglichen Weg hin, die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie gezielter zu beeinflussen. 56

Könnte die Methode spiegelbildliche Moleküle unterscheidbar machen?

Chirale Moleküle kommen in zwei Formen vor, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. In der Forschung zu strukturiertem und lokal chiralem Licht wird untersucht, wie sich solche Moleküle je nach ihrer „Händigkeit“ unterschiedlich anregen oder nachweisen lassen. Dazu gehören vorgeschlagene Ansätze, um verschiedene Formen zu unterscheiden. 1415

Die Oldenburger Arbeit könnte langfristig zu diesem Forschungsfeld beitragen, indem sie mehr Kontrolle über die Form des Lichtfelds ermöglicht. Der Einsatz der dreidimensionalen Felder an chiralen Molekülen und der Nachweis, dass sich damit ihre spiegelbildlichen Formen unterscheiden lassen, bleiben jedoch Zukunftsperspektiven – sie wurden im Kalium-Experiment nicht demonstriert. 561415