Ultrakurze Lichtblitze Wie bewegen sich

Ultrakurze Lichtblitze Wie bewegen sich - Elektronen e e in Molekülen ? Thomas Pfeifer Inter. Atto Projekt MPI – Kernphysik, Heidelberg

Laseranwendungen z. B. Lightshows bei Konzerten Laser Pointer http: //www. techlasers. com/images/products/ 35 m. W-Green-Laser-Pointer-infiniti-series-working-status Quelle: http: //blog. taragana. com/wp-content/uploads/2009/06/laser-025. jpg

Laseranwendungen CD-/DVD-Spieler, Recorder http: //www. bundesregierung. de/Content/EN/Artikel/2007/08/Bilder/hightech-strategieoptische-technologien-cd-spieler, property=default. jpg Datenübertragung http: //www. delen. polito. it/var/delen/storage/images/research/telecommunications/optic al-communication-group-optcom/fiber_optics/6969 -1 -eng-GB/fiber_optics_large. jpg optische Fasern Physik Nobelpreis 2009, Charles K. Kao

Laseranwendungen Laser-Drucker http: //laser-printer-reviews. com/laser-printer-guides/ laser-printer-buyers-guide. gif Laser-Maus http: //img. tomshardware. com/us/2005/11/18/the_ultimate_ mouse_hunt_part_two/laser_mouse_6000_1. jpg

Laseranwendungen Materialbearbeitung http: //www. acceler-ray. com/Cutting 1. jpg Laserscanner (Supermarkt) http: //img. tfd. com/cde/BARSCAN 1. GIF

Laseranwendungen Medizinische Lasertechnik http: //i. dailymail. co. uk/i/pix/2008/09/01/article-0 -00 D 0 D 684000004 B 0 -763_468 x 286. jpg Augenmedizin, Chirurgie (Laserskalpell)

Laser in der Wissenschaft (Grundlagenforschung) http: //opticsclub. engineering. ucdavis. edu/home_files/laser. jpg http: //www. lpi. usra. edu/lunar/missions/apollo_15/images/laser_beam_lg. gif Spiegel auf dem Mond Apollo 15 Mission

Laser in der Wissenschaft (Grundlagenforschung hier am Institut) Erzeugung kurzer Laserblitze (genannt “Pulse”) im Labor Beobachtung und Kontrolle der Bewegung von kleinsten Teilchen (z. B. Elektronen, Moleküle, . . . )

Licht ist wie. . . Wasserwellen: Schwingungen der Wasserhöhe Lichtwellen: Schwingungen des elektrischen Feldes http: //files. turbosquid. com/Preview/Content_2009_07_15__08_55_43/water. jpgb 064 ca 7 a-6 e 65 -49 a 8 -82 ad-bf 6 ea 7633 c 28 Large. jpg

Licht ist wie. . . http: //files. turbosquid. com/Preview/Content_2009_07_15__08_55_43/water. jpgb 064 ca 7 a-6 e 65 -49 a 8 -82 ad-bf 6 ea 7633 c 28 Large. jpg

Kohärenz Dj=? lateinisch “cohærere” co-: dt. “zusammen-“ hærere: dt. “hängen, halten, kleben“

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (dt. : Licht-Verstärkung durch Stimulierte Strahlungsemission) Licht-Verstärker (z. B. angeregtes Gas, Kristall)

Stimulierte Emission Vorher Angeregter Zustand Grund. Zustand Während der Emission Nachher

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (dt. : Licht-Verstärkung durch Stimulierte Strahlungsemission) Licht-Verstärker (z. B. angeregtes Gas, Kristall) . . .

http: //farm 3. static. flickr. com/2179/1719373904_2110 f 86758. jpg http: //www. fengshuiform. com/images/ Candle_Holder_Large_Infinity_Candle_Holder. jpg

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (dt. : Licht-Verstärkung durch Stimulierte Strahlungsemission) Licht-Verstärker (z. B. angeregtes Gas, Kristall) Resonator (Rückkopplung)

Spektren und Lichtwellen Sonnen-Spektrum Laser-Spektrum Pulslaser-Spektrum Unterschied: alle Farben synchron) Bild-Quellen: http: //www. bhakti-love. com/fotos/sonnenlicht. jpg, http: //climate. met. psu. edu/www_prod/data/frost/images/rainbow. jpg

Laserlabor und Lasersicherheit

Ultrakurze Licht-Pulse 1 Femtosekunde = 10 -15 Sekunden 100000000 Beobachtung schneller Prozesse Ref: Ulrich Weichmann, Department of Physics, Wuerzburg University

Beobachtung schneller Bewegung Beispiel: Fotografie Quelle: Physikalisches Institut, Universität Würzburg

Zeitskala kürzester kontrollierter Lichtpuls/-blitz im Labor 80 Atto. Sekunden 1 Sekunde menschliche Zeitskala elektronische Zeitskala Kernphysikalische Zeitskala Alter des Universums 14 Mrd. Jahre molekulare Zeitskala Kameras Puls-Laser geologische/astronomische Zeitskala

Beobachtung schneller Bewegung von großen Objekten von kleinen Objekten z. B. Elektronen Laser-Puls zu lang Bildquelle: http: //startswithabang. com/? p=1795 Laser-Puls kurz genug (Attosekunden-Pulsdauer)

Wie “lang” ist eine Attosekunde? 1 as = 0. 001 fs 0. 000 001 ps 0. 000 001 ns 0. 000 000 001 ms 0. 000 000 000 001 s 1 Femtosekunde 5 fs 10 = 100 Attosekunden Ein Lichtblitz von 5 fs Dauer ist 1. 5 m lang Quelle: Physikalisches Institut, Universität Würzburg Ein Lichtblitz von 1 Attosekunde Dauer ist 0. 3 nm lang.

Ultrakurze Licht-Pulse 1 Femtosekunde = 10 -15 Sekunden 100000000 Leistung Beobachtung schneller Prozesse Ref: Ulrich Weichmann, Department of Physics, Wuerzburg University = Arbeit, Energie Zeit Konzentrierung/Verdichtung von Energie in Zeit und Raum

Kurze Pulse Hohe Leistungen Arbeit 100 J Leistung = = 20 GW = Zeit 5 fs n Plasma e- e- + X+ X X+ + + X X e- - ee tge Rönt aviole ultr infraro t THz 5 -Femtosekunden. Laserlichtpuls 20 GW 20 W = 2 10 2 m 2 (10 m) zum Vergleich: Sonneneinstrahlung auf Erde: 1. 4 103 W m 2

Licht-Materie Wechselwirkung

Wirkung des Laserfeldes auf Elektronen E(t) Intensität Elektrisches Feld I = E= 2∙ 1020 W/cm 2 4∙ 1011 V/m Kraft F = 64 n. N Masse des Elektrons me= 9 ∙ 10 -31 kg Beschleunigung a = 7 ∙ 1022 m/s 2 F=m∙a ungefähr 1022 fache Erdbeschleunigung e- F 2000 Attosekunden konstante Beschleunigung für 200 Attosekunden: Geschwindigkeit v = 3 ∙ 106 m/s = 5% c (Lichtgeschwindigkeit) Lichtwelle E(t)

Attosekundenpulserzeugung beschleunigte Ladung strahlt Licht ab ! Plasma e- e- + X+ X X+ + + X X e- - ee 5 -Femtosekunden. Laserlichtpuls Experiment 100 -Attosekunden Röntgenpuls

Experimenteller Aufbau im Labor

Schnelle Bewegung kleiner Teilchen Wissenschaftliche Fragestellung: “Wie bewegen sich Elektronen in Atomen und Molekülen? ” e. Dauer eines „Umlaufes“ um den Atomkern: (viel) kleiner als 1 Femtosekunde 1 Attosekunde = 10 -18 Sek. Elektronenwelle (Wellenfunktion | (r, t)|2)

Moleküle ? + e e + Grundlage jeder chemischen Reaktion

Elektronenbewegung in Molekülen Simulation im Wasserstoff-Molekül H 2 klick!

Experimentelles Ergebnis kinetische Energie Manuel Kremer, Joachim Ullrich und Mitarbeiter Fachzeitschrift: Physical Review Letters, gerade im Druck klick!

Elektronenbewegung in Molekülen H C C H H C C H C C C H H Simulation im Benzol-Molekül C 6 H 6

Elektronenbewegung in Molekülen (Schwefelhexafluorid, SF 6) SF 6 SF 4++ F F S e. F F F S ++ F F e- Anzahl der Teilchen Attosekunden. Lichtpuls zum Start der Bewegung F F F später SF+ S+ Anzahl der Teilchen F SF 2++ F SF 4++ Zeitverzögerung, Wartezeit Zeit in Femtosekunden SF 2++ [ 4] Zeit in Femtosekunden

Laser-Pulsformung SF 4++ ++ F F SF 6 F F S F F F SF 2++ F S ++ F

Messung von Lichtwellen (vgl. Oszilloskop) Elektronenenergie in e. V Zeit in Femtosekunden

Laser in der Wissenschaft: Attosekunden-Pulse zur Beleuchtung von Elektronen-Bewegung in Molekülen SF 6 F F F S e. F Attosekunden. Lichtpuls F F e-

Ultrakurze Lichtblitze Wie bewegen sich — Elektronen e