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Attosekunden-Physik - VolkswagenStiftung fördert gewagte Forschungsidee

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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Attosekunden-PhysikVolkswagenStiftung fördert gewagte Forschungsidee

„Zwei Attosekunden verhalten sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums.“ Was Prof. Dr. Adrian Pfeiffer von der Friedrich-Schiller-Universität Jena mit diesem Bild beschreibt, ist ein kaum vorstellbarer kleiner Zeitraum: Eine Attosekunde ist der milliardste Teil einer milliardstel Sekunde.

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Prof. Dr. Adrian Pfeiffer

Dass Experimente in einem solch kleinen Zeitfenster nicht immer vorhersehbar sind, versteht sich fast von selbst. Nichtsdestotrotz möchte der Jenaer Juniorprofessor für Attosekunden-Laserphysik seine Forschungen zur Attosekunde ausweiten. Dabei wird er nun von der VolkswagenStiftung unterstützt, deren Förderinitiative „Experiment!“ Forschungsideen mit ungewissem Ausgang ermöglicht.

Frei nach dem Prinzip „Mut wird belohnt“ fordert „Experiment!“ Wissenschaftler zu außergewöhnlichen Herangehensweisen an gewagte Forschungsansätze auf und wertet ein Misslingen des Projekts nicht als Scheitern, sondern als Lernerfolg. Dies veranlasste Pfeiffer, sich zu bewerben: „Ich hatte eine neue Idee, die riskant und noch nicht etabliert ist und gut dazu passt.“ Das fanden auch die Juroren der Stiftung, die Pfeiffer Fördermittel in Höhe von 100000 Euro bewilligten – was neben ihm nur 17 weiteren von 544 Bewerbern gelungen ist.

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Das gewagte Experiment
Pfeiffers Projekt beschäftigt sich mit sogenannter „Subzyklen-aufgelöster nichtlinearer Spektroskopie“ und erfordert, wie er erklärt, radikales Umdenken. Konkret wird er ab Januar untersuchen, wie lange eine Gruppe von Lichtpulsen von ihrem Entstehungsort bis zum Aufprall auf einem Detektor braucht.

Im Labor bedeutet dies, dass Pfeiffer einen Laserpuls losschickt, der durch ein Interferometer zweigeteilt und rekombiniert wird. Um Rückschlüsse auf Zeitskalen von Elektronenbewegungen in gebundenen Systemen ziehen zu können, lässt er die beiden Pulse dann auf eine Probe des zu untersuchenden Materials treffen. Dort werden durch Nichtlinearität zwei zusätzliche, schwächere Pulse erzeugt. Von zentralem Interesse ist für ihn, wie viel Zeit zwischen den beiden ursprünglichen, starken und den beiden neuen, schwächeren Pulsen liegt, wenn alle vier beim Detektor, einer Kamera, eintreffen.

Das Problem des Versuchs liegt in der Ungenauigkeit der Messung, denn alle Optiken, die zwischen der Probe und der Kamera liegen, bringen bestimmte Oberflächen-Beschaffenheiten mit. „Keine Oberfläche ist zu 100 Prozent glatt, mit Abweichungen von etwa 60 Nanometern muss man auch bei Präzisionsoptiken rechnen. Da dies bei Lichtgeschwindigkeit die Laufzeit der Pulse um mehrere Hundert Attosekunden verschiebt, kann man über die Zeitabläufe in der Probe nichts mehr mit Attosekunden-Genauigkeit herausfinden“, erklärt der junge Physiker.

Innovativ ist nun, dass er den Versuch dennoch durchführt – und zwar mit Motorisierung aller Optiken zwischen Probe und Kamera. Durch zahlreiche Wiederholungen des Experiments geht Pfeiffer davon aus, dass der ermittelte Durchschnitt beim Auftreffen der ursprünglichen und der erzeugten Lichtpulse dem tatsächlichen Zeitunterschied zwischen ihnen entsprechen sollte. Wo die Grenzen für die Genauigkeit bei dieser Methode liegen und wodurch diese verursacht werden, wird sich während des Projektes zeigen. Im Ergebnis gilt es herauszufinden, wie schnell Elektronen in unterschiedlichen Materialien, wie z. B. dünnen Gläsern oder Kristallen, auf intensives Licht reagieren.

Risiko besteht nicht im Scheitern
Dass er mit seinem Projekt wirklich scheitert, glaubt der 37-Jährige nicht mehr. Seit dem Einreichen des Förderantrags im Juni seien er und seine Doktoranden Christoph Leithold und Jan Reislöhner gut vorangekommen. „Die Fragen sind eher: Wie interessant sind die Daten am Ende? Wird die Wissensbasis der Menschheit dadurch sinnvoll ergänzt?“, erzählt Pfeiffer. Er geht inzwischen davon aus, dass das Experiment glückt, wobei er allerdings in der Aussagekraft der Daten ein Risiko sieht. Es könnte sich z. B. herausstellen, dass die Daten bei allen untersuchten Proben immer gleichbleiben, statt materialspezifische Einblicke zu gewähren.

Adrian Pfeiffer wurde auf dem Gebiet der Attosekunden-Physik an der ETH Zürich promoviert und hat danach als Postdoc am Lawrence Berkeley National Laboratory geforscht. Seit 2013 leitet er eine Arbeitsgruppe an der Universität Jena und entwickelt innovative Konzepte wie dieses für die Ultrakurzzeit-Spektroskopie und -Pulserzeugung.

Seit 2013 vergibt die VolkswagenStiftung mit der Förderinitiative „Experiment!“ bis zu 100000 Euro an Projekte mit bahnbrechenden Ansätzen; die Förderdauer beträgt 18 Monate. Die Vorschläge werden einer Jury anonymisiert vorgelegt, so dass allein die Projektidee zählt. Im Fall eines nicht gelingenden Experiments gilt die Erläuterung der Hindernisgründe ebenfalls als gewünschtes Ergebnis.

Kontakt:
Jun.-Prof. Dr. Adrian N. Pfeiffer
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
E-Mail: a.n.pfeiffer@uni-jena.de

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