Uni Bay­reuth: In „Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons“ – Ato­ma­re Tera­hertz-Schwin­gun­gen lösen das Rät­sel ultra­kur­zer Solitonen-Moleküle 

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Sta­bi­le Pake­te von Licht­wel­len – soge­nann­te opti­sche Soli­to­nen – wer­den in Ultra­kurz­puls-Lasern als eine Ket­te von Licht­blit­zen aus­ge­strahlt. Die­se Soli­to­nen ver­bin­den sich oft zu Paa­ren mit sehr kur­zen zeit­li­chen Abstän­den. Anhand von ato­ma­ren Schwin­gun­gen im Tera­hertz-Bereich haben Forscher*innen der Uni­ver­si­tä­ten Bay­reuth und Wrocław jetzt das Rät­sel gelöst, wie die­se zeit­li­chen Ver­knüp­fun­gen ent­ste­hen. In „Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons“ berich­ten sie über ihre Ent­deckung. Die Dyna­mik der anein­an­der gekop­pel­ten Licht­pa­ke­te kann genutzt wer­den, um Atom­schwin­gun­gen als cha­rak­te­ri­sti­sche „Fin­ger­ab­drücke“ von Mate­ria­li­en extrem schnell zu vermessen.

In Ultra­kurz­puls-Lasern kön­nen opti­sche Soli­to­nen beson­ders enge räum­li­che und zeit­li­che Ver­bin­dun­gen ein­ge­hen. Die­se wer­den auch als ultra­kur­ze „Soli­to­nen-Mole­kü­le“ bezeich­net, weil sie ähn­lich wie die che­misch gebun­de­nen Ato­me eines Mole­küls sta­bil anein­an­der gekop­pelt sind. Die For­schungs­grup­pe in Bay­reuth ver­wen­de­te einen weit­ver­brei­te­ten Fest­kör­per­la­ser aus einem mit Titan­ato­men ver­se­he­nen Saphir­kri­stall, um her­aus­zu­fin­den, wie die­se Kopp­lung ent­steht. Zunächst bewirkt ein ein­zel­ner vor­aus­ei­len­der Licht­blitz, dass die Ato­me im Kri­stall­git­ter des Saphirs in ultra­schnel­le Schwin­gun­gen gera­ten. Die­se cha­rak­te­ri­sti­schen Schwin­gun­gen lie­gen im Tera­hertz­be­reich und klin­gen inner­halb von weni­gen Piko­se­kun­den wie­der ab (eine Piko­se­kun­de ent­spricht einer Bil­li­on­stel Sekun­de). In die­ser extrem kur­zen Zeit­span­ne ändert sich der Bre­chungs­in­dex des Kri­stalls. Folgt nun unmit­tel­bar ein zwei­ter Licht­blitz und holt den ersten ein, so spürt er die­se Ver­än­de­rung: Er wird von den Atom­schwin­gun­gen nicht nur leicht beein­flusst, son­dern auch sta­bil an das vor­aus­ge­hen­de Soli­ton gebun­den. Ein „Soli­to­nen-Mole­kül“ ist geboren.

„Der von uns ent­deck­te Mecha­nis­mus beruht auf den phy­si­ka­li­schen Effek­ten der Raman-Streu­ung und Selbst­fo­kus­sie­rung. Er erklärt eine Viel­zahl von Phä­no­me­nen, die der Wis­sen­schaft seit der Erfin­dung von Titan-Saphir-Lasern vor über 30 Jah­ren Rät­sel auf­ge­ge­ben haben. Das beson­ders Span­nen­de an der Ent­deckung ist dabei, dass wir die Dyna­mik der Soli­to­nen wäh­rend ihrer Erzeu­gung im Laser­re­so­na­tor jetzt dazu aus­nut­zen kön­nen, um ato­ma­re Bin­dun­gen in Mate­ria­li­en extrem schnell abzu­ta­sten. Die gesam­te Mes­sung eines soge­nann­ten Intra­ca­vi­ty-Raman-Spek­trums dau­ert jetzt weni­ger als eine Tau­send­stel Sekun­de. Die­se Erkennt­nis­se kön­nen dazu bei­tra­gen, beson­ders schnel­le che­misch-sen­si­ti­ve Mikro­sko­pe zu ent­wickeln, mit denen Mate­ria­li­en iden­ti­fi­ziert wer­den kön­nen. Dar­über hin­aus eröff­net der Kopp­lungs­me­cha­nis­mus neue Stra­te­gien, um Licht­pul­se durch Atom­be­we­gun­gen zu steu­ern und umge­kehrt ein­zig­ar­ti­ge Mate­ri­al­zu­stän­de durch Licht­pul­se zu erzeu­gen“, erklärt Juni­or­pro­fes­sor Dr. Georg Her­ink, Lei­ter der Stu­die und Juni­or­pro­fes­sor für Ultra­schnel­le Dyna­mik an der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Par­al­lel zur Ana­ly­se expe­ri­men­tel­ler Daten ist es den Forscher*innen gelun­gen, ein theo­re­ti­sches Modell für die Soli­to­nen­dy­na­mik zu ent­wickeln. Das Modell ermög­licht es, die in Expe­ri­men­ten gewon­ne­nen Beob­ach­tun­gen zu erklä­ren und neu­ar­ti­ge Effek­te von Atom­schwin­gun­gen auf die Dyna­mik von Soli­to­nen vor­her­zu­sa­gen. Die Wech­sel­wir­kun­gen von Soli­to­nen in opti­schen Syste­men und ihre Anwen­dun­gen für die Hoch­ge­schwin­dig­keits-Spek­tro­sko­pie wer­den gegen­wär­tig im Rah­men des DFG-For­schungs­pro­jekts FIN­TEC an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth untersucht.

Sta­bi­le Pake­te von Licht­wel­len – soge­nann­te opti­sche Soli­to­nen – wer­den in Ultra­kurz­puls-Lasern als eine Ket­te von Licht­blit­zen aus­ge­strahlt. Die­se Soli­to­nen ver­bin­den sich oft zu Paa­ren mit sehr kur­zen zeit­li­chen Abstän­den. Anhand von ato­ma­ren Schwin­gun­gen im Tera­hertz-Bereich haben Forscher*innen der Uni­ver­si­tä­ten Bay­reuth und Wrocław jetzt das Rät­sel gelöst, wie die­se zeit­li­chen Ver­knüp­fun­gen ent­ste­hen. In „Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons“ berich­ten sie über ihre Ent­deckung. Die Dyna­mik der anein­an­der gekop­pel­ten Licht­pa­ke­te kann genutzt wer­den, um Atom­schwin­gun­gen als cha­rak­te­ri­sti­sche „Fin­ger­ab­drücke“ von Mate­ria­li­en extrem schnell zu vermessen.

In Ultra­kurz­puls-Lasern kön­nen opti­sche Soli­to­nen beson­ders enge räum­li­che und zeit­li­che Ver­bin­dun­gen ein­ge­hen. Die­se wer­den auch als ultra­kur­ze „Soli­to­nen-Mole­kü­le“ bezeich­net, weil sie ähn­lich wie die che­misch gebun­de­nen Ato­me eines Mole­küls sta­bil anein­an­der gekop­pelt sind. Die For­schungs­grup­pe in Bay­reuth ver­wen­de­te einen weit­ver­brei­te­ten Fest­kör­per­la­ser aus einem mit Titan­ato­men ver­se­he­nen Saphir­kri­stall, um her­aus­zu­fin­den, wie die­se Kopp­lung ent­steht. Zunächst bewirkt ein ein­zel­ner vor­aus­ei­len­der Licht­blitz, dass die Ato­me im Kri­stall­git­ter des Saphirs in ultra­schnel­le Schwin­gun­gen gera­ten. Die­se cha­rak­te­ri­sti­schen Schwin­gun­gen lie­gen im Tera­hertz­be­reich und klin­gen inner­halb von weni­gen Piko­se­kun­den wie­der ab (eine Piko­se­kun­de ent­spricht einer Bil­li­on­stel Sekun­de). In die­ser extrem kur­zen Zeit­span­ne ändert sich der Bre­chungs­in­dex des Kri­stalls. Folgt nun unmit­tel­bar ein zwei­ter Licht­blitz und holt den ersten ein, so spürt er die­se Ver­än­de­rung: Er wird von den Atom­schwin­gun­gen nicht nur leicht beein­flusst, son­dern auch sta­bil an das vor­aus­ge­hen­de Soli­ton gebun­den. Ein „Soli­to­nen-Mole­kül“ ist geboren.

„Der von uns ent­deck­te Mecha­nis­mus beruht auf den phy­si­ka­li­schen Effek­ten der Raman-Streu­ung und Selbst­fo­kus­sie­rung. Er erklärt eine Viel­zahl von Phä­no­me­nen, die der Wis­sen­schaft seit der Erfin­dung von Titan-Saphir-Lasern vor über 30 Jah­ren Rät­sel auf­ge­ge­ben haben. Das beson­ders Span­nen­de an der Ent­deckung ist dabei, dass wir die Dyna­mik der Soli­to­nen wäh­rend ihrer Erzeu­gung im Laser­re­so­na­tor jetzt dazu aus­nut­zen kön­nen, um ato­ma­re Bin­dun­gen in Mate­ria­li­en extrem schnell abzu­ta­sten. Die gesam­te Mes­sung eines soge­nann­ten Intra­ca­vi­ty-Raman-Spek­trums dau­ert jetzt weni­ger als eine Tau­send­stel Sekun­de. Die­se Erkennt­nis­se kön­nen dazu bei­tra­gen, beson­ders schnel­le che­misch-sen­si­ti­ve Mikro­sko­pe zu ent­wickeln, mit denen Mate­ria­li­en iden­ti­fi­ziert wer­den kön­nen. Dar­über hin­aus eröff­net der Kopp­lungs­me­cha­nis­mus neue Stra­te­gien, um Licht­pul­se durch Atom­be­we­gun­gen zu steu­ern und umge­kehrt ein­zig­ar­ti­ge Mate­ri­al­zu­stän­de durch Licht­pul­se zu erzeu­gen“, erklärt Juni­or­pro­fes­sor Dr. Georg Her­ink, Lei­ter der Stu­die und Juni­or­pro­fes­sor für Ultra­schnel­le Dyna­mik an der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Par­al­lel zur Ana­ly­se expe­ri­men­tel­ler Daten ist es den Forscher*innen gelun­gen, ein theo­re­ti­sches Modell für die Soli­to­nen­dy­na­mik zu ent­wickeln. Das Modell ermög­licht es, die in Expe­ri­men­ten gewon­ne­nen Beob­ach­tun­gen zu erklä­ren und neu­ar­ti­ge Effek­te von Atom­schwin­gun­gen auf die Dyna­mik von Soli­to­nen vor­her­zu­sa­gen. Die Wech­sel­wir­kun­gen von Soli­to­nen in opti­schen Syste­men und ihre Anwen­dun­gen für die Hoch­ge­schwin­dig­keits-Spek­tro­sko­pie wer­den gegen­wär­tig im Rah­men des DFG-For­schungs­pro­jekts FIN­TEC an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth untersucht.

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