Korte refleksioner fra et plasmaspejl

Når en tæt plade af elektroner accelereres til næsten lysets hastighed, det fungerer som en reflekterende overflade. Sådan et 'plasmaspejl' kan bruges til at manipulere lys. Nu er et internationalt hold af fysikere fra Max Planck Institute of Quantum Optics, LMU München, og Umeå Universitet i Sverige har karakteriseret denne plasmaspejleffekt i detaljer, og udnyttede det til at generere isolerede, højintensive attosekundslys blinker. Et attosekund varer en milliardtedel af en milliardtedel (10 ^-18 ) af et sekund.

Samspillet mellem ekstremt kraftige laserimpulser og stof har åbnet op for helt nye tilgange til generering af ultrakorte lysglimt, der kun varer et par hundrede attosekunder. Disse ekstraordinært korte impulser kan igen bruges til at undersøge dynamikken i ultrahurtige fysiske fænomener på subatomare skalaer. Standardmetoden, der bruges til at skabe attosekundpulser, er baseret på interaktionen af ​​nær-infrarødt laserlys med elektronerne i atomer af ædelgasser såsom neon eller argon.

Nu forskere ved Laboratory for Attosecond Physics ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching og Münchens Ludwig Maximilians University (LMU), i samarbejde med kolleger på Umeå Universitet, har med succes implementeret en ny strategi for generering af isolerede attosekunds lysimpulser.

I det første trin, ekstremt kraftfuldt femtosekund (10 ^-15 sek.) laserimpulser får lov til at interagere med glas. Laserlyset fordamper glasoverfladen, ionisere dets atomer og accelerere de frigjorte elektroner til hastigheder svarende til en betragtelig brøkdel af lysets hastighed. Det resulterende højdensitetsplasma består af hurtigt bevægende elektroner, som forplanter sig i samme retning som det pulserende laserlys, fungerer som et spejl. Når elektronerne har opnået hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed, bliver de relativistiske, og begynder at oscillere som reaktion på laserfeltet. Den efterfølgende periodiske deformation af plasmaspejlet interagerer med den reflekterede lysbølge og giver anledning til isolerede attosekundpulser. Disse impulser har en estimeret varighed på ca. 200 as og bølgelængder i det ekstreme ultraviolette område af spektret (20-30 nanometer, 40-60 eV).

I modsætning til attosekundpulser genereret med længere laserimpulser, dem, der produceres af plasma-spejleffekten og laserimpulser, der har en varighed på få optiske cyklusser, kan styres præcist med bølgeformen. Dette gjorde det også muligt for forskerne at observere tidsforløbet af generationsprocessen, dvs. plasmaspejlets oscillation. Vigtigt, disse pulser er meget mere intense, dvs. indeholder langt flere fotoner, end dem, der kan opnås med standardproceduren.

Den øgede intensitet gør det muligt at udføre endnu mere præcise målinger af subatomære partiklers opførsel i realtid. Attosekunds lysimpulser bruges primært til at kortlægge elektronbevægelser, og dermed give indsigt i dynamikken i fundamentale processer inden for atomer. Jo højere intensiteten af ​​attosekundet lyset blinker, jo mere information kan der indsamles om partiklernes bevægelser i stoffet. Med den praktiske demonstration af plasma-spejleffekten til at generere lyse attosekunds lysimpulser, forfatterne af den nye undersøgelse har udviklet en teknologi, som vil gøre det muligt for fysikere at sondere endnu dybere ind i kvanteverdenens mysterier.