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15.07.2005 - QUANTENPHYSIK
Erster Schritt zur Atomkernuhr
Garchinger Wissenschaftler erschlossen Laserquelle im extrem ultravioletten Spektralbereich
Christoph Gohle / Andreas Trepte / MPG
 | | | | | (su) Garchinger Wissen-schaftler eröffneten mit ihrer neuesten Veröffentlichung neue Perspektiven beispielsweise für hochgenaue Atomuhren. Mit so genannten modengekoppelte Lasern, die eine beliebig lange Kette aus extrem kurzen Lichtpulsen emittieren, konnten erstmals die Schwingungen von sichtbarem Licht direkt gezählt werden. Das Frequenzspektrum (die Farbzusammensetzung) eines solchen Lasers besteht aus einer langen gleichmäßigen Reihe von schmalen Linien, die mit den Zinken eines Kamms vergleichbar sind. Christoph Gohle und seinen Kollegen in der Gruppe von Theodor W. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben jetzt eine Lichtquelle erschlossen, die einen solchen "Frequenzkamm" im extrem ultravioletten (XUV) Spektralbereich zur Verfügung stellt (Nature 436, S. 234-237). Der Abstand zwischen den Linien "dieses Kamms" ist so groß, dass jede Linie für sich isoliert und für neue Präzisionsmessungen in einem diesbezüglich noch unerschlossenen Frequenzbereich genutzt werden kann. Ein ähnliches Ergebnis wurde kürzlich auch von der Gruppe von Jun Ye am JILA in Boulder, USA im Physical Review Letters, Vol. 94, Nr. 193201 publiziert. Die neue Lichtquelle ist nahezu punktförmig und bietet sich damit u.a. für die Materialbearbeitung auf einer Größenskala von einem milliardstel Meter (nm) an.
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Vakuumkammer, die einen Strahl aus Xenon-
atomen enthält. Der heller weiße Punkt hinter
dem Sichtfenster unten in der Mitte des Bilds
wird durch Xenon Atome hervorgerufen, die
durch das infrarote Laserlicht (symbolisiert
durch die rote Fläche, da normalerweise un-
sichtbar) ionisiert wurden. Die erzeugte XUV
Strahlung entweicht durch das Rohr, das im
Bild nach rechts unten führt. Die Abmessun-
gen dieser Kammer sind etwa 2x1x1 cm.
Bild: MPI für Quantenoptik
| Optische Frequenzkämme, wie sie in den Labors in Garching entwickelt worden sind, haben die optische Frequenzmessung revolutioniert. Sie haben es erstmals ermöglicht, zuverlässig arbeitende Atomuhren zu konstruieren, die als Taktgeber einen atomaren Übergang mit optischer Frequenz einsetzen. Damit wird eine tausend mal präzisere Zeitbestimmung gegenüber den besten bisher existierenden Atomuhren (Cäsium) in Aussicht gestellt. Je schneller der Taktgeber einer Uhr schwingt, desto feiner ist die Unterteilung der Zeit und um so genauer kann eine Uhr arbeiten. In klassischen Pendeluhren schwingt der Taktgeber etwa ein Mal pro Sekunde, in Quarz Armbanduhren etwa eine Millionen Mal, in modernen Cäsium Atomuhren, die die SI Einheit Sekunde definieren, zehn Milliarden Mal und in optischen Atomuhren noch hunderttausend Mal schneller. Eine weitere Steigerung der Taktgeberfrequenz durch Verwendung einer Atomkernschwingung anstatt einer Schwingung der Elektronenhülle des Atoms scheiterte bisher an der Möglichkeit, eine solche Schwingung mit ausreichender Präzision zu detektieren und zu zählen. Mit der neu entwickelten Laserquelle sind die Forscher in Garching diesem Ziel ein gutes Stück näher gekommen.
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Spektrum der erzeugten harmonischen XUV-Strah-
lung. In der Grobansicht wird jede Farbe erzeugt,
angefangen bei der nahinfraroten Laser-Strahlung
bis zu einer so genannten Abschneidefrequenz, die
meist im XUV- oder weichen Röntgenbereich liegt.
Bei genauerem Hinsehen erkennt man, dass dieses
breite Strahlungsspektrum schmalere Spitzen bei
Frequenzen aufweist, die ein ungeradzahliges Viel-
faches der nahinfraroten Laserfrequenz sind. Wird
eine solche Harmonische noch genauer unter die
Lupe genommen und aufgefächert, findet man eine
n Frequenzkamm aus nahezu unendlich scharfen
äquidistanten Linien, die als Lineal im Frequenz-
raum dienen können.
Grafik: MPI f. Quantenoptik
| Bei der "nichtlinearen Konversion" von elektromagnetischen Wellen entsteht in einem geeigneten Medium Licht mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des ursprünglichen Lichtes beträgt. Dies ermöglicht im Prinzip die Erzeugung von XUV oder gar weicher Röntgenstrahlung aus sichtbarem oder nahinfrarotem Licht. Damit diese Konversion effizient abläuft, wird eine sehr hohe Lichtleistung benötigt, die durch Konzentration der mittlere Leistung aus einem Laser in wenige (meistens einige 1000 pro Sekunde) extrem kurze Lichtblitze erreicht wird. Auf diese Weise kann die Leistung in so einem Lichtblitz auf einige hundert Milliarden Watt gesteigert werden, ohne die im Mittel abgestrahlte Lichtleistung von einigen Watt zu erhöhen. Doch auch bei so hoher Leistung in einem Lichtblitz ist die Konversion in das XUV ineffizient. Es wird höchstens ein 100000stel der gesamten Leistung konvertiert und der Grossteil der eingestrahlten Leistung geht verloren.
Die Forschergruppe aus Garching umgeht die auftretenden Schwierigkeiten mit einem Trick. Die Pulse aus einem Laser mit einer hohen Wiederholrate werden zwischen zwei (oder mehr) Spiegeln so gespeichert, dass sich jeder neu eintreffende Puls zu dem in der Spiegelanordnung umlaufenden Puls addiert und so die Leistung des umlaufenden Pulses viele hundert mal größer sein kann. Wird das nichtlineare Medium zur Frequenzkonversion nun innerhalb dieser Anordnung platziert, so kann die Konversion ins XUV bei sehr hoher Wiederholfrequenz von über 100 Millionen Pulsen pro Sekunde stattfinden. Zudem ist das Licht, das nach einem Durchgang durch das Medium nicht konvertiert wurde, nicht verloren, sondern wird weiter zwischen den Spiegeln gespeichert und damit zu weiteren Durchläufen durch das Medium beitragen. Eine solche Quelle ist nicht nur für die Grundlagenforschung und die hochpräzise Spektroskopie von Interesse. Die Einfachheit und Kompaktheit der Quelle und die hohe Wiederholrate stellen auch Anwendungen in der Halbleiterherstellung oder der hochdichten holographischen Datenspeicherung in Aussicht.
Mehr im Internet:
Max-Planck-Institut für Quantenphysik
Otto-Hahn-Preis für Theodor Hänsch, scienzz 15.07.2005
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Berlin,
den 13.03.2010
