Ionisationsdynamik von Heliumclustern und Tröpfchen in intensiven Pulsen kurzwelliger Strahlung

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Möller
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260415380

Die Wechselwirkung von hochintensiven Pulsen kurzwelliger Strahlung mit Materie eröffnet sehr vielversprechende Forschungsmöglichkeiten, die von der Atom- und Molekül- bis zur Plasmaphysik reichen. Freie-Elektronen Laser (FEL) und Höhere Harmonische (HHG) Laserquellen im Extrem Ultravioletten (XUV) Spektralbereich verleihen der Forschung gegenwärtig einen enormen Aufschwung. Sie ermöglichen es, erstmals ultraschnelle Prozesse auch mit sehr hoher räumlicher Auflösung direkt sichtbar zu machen. Dieser Fortsetzungsantrag hat das Ziel, ein detailliertes Verständnis der auf einer Attosekunden- bis Nanosekunden-Zeitskala ablaufenden Anregungs- und Ionisationsdynamik von Nanopartikeln in intensiven XUV Pulsen zu entwickeln. Als experimentelle Methode kommt zentral die elastische Lichtstreuung zum Einsatz, die quasi instantan Schnappschüsse der Anregungen und Prozesse im Cluster liefert. Heliumcluster, -Nano- und -Mikrotröpfchen, sowie Heliumflüssigstrahlen dienen hier wegen der sehr einfachen elektronischen Struktur als Modellsysteme. Der FERMI-FEL in Triest bietet durch Pulse mit sehr enger Bandbreite und Durchstimmbarkeit einzigartige Möglichkeiten, die resonante und nicht-resonante Ionisation dieser Systeme zu untersuchen. Wir wollen die dort begonnenen, erfolgreichen Experimente fortsetzen und am Max-Born-Institut in Berlin mit intensiven HHG-Laserpulsen in den Attosekundenbereich vordringen, um die ultraschnelle Dynamik während der Anregung zu verfolgen. Wir planen die detaillierte Analyse der Ionisationsprozesse, der Nanoplasmabildung und der räumlichen Verteilung von Anregungen und Ladungsträgern. Die zeitaufgelösten Experimente im Femtosekunden- bis Nanosekundenbereich werden an einzelnen Heliumclustern und Nanotröpfchen in einzelnen Lichtpulsen durchgeführt um die störende, aber meist unvermeidliche Limitierung durch Mittelung über Schwankungen im untersuchten Objekt, wie z.B. der Tröpfchengröße, und Variationen in der Leistungsdichte zu überwinden. Für die Untersuchung der Dynamik werden wir mit einem von uns entwickelten und getesteten Zwei-Farben Pump-Probe-Ansatz bei FERMI die lichtinduzierten Prozesse im Cluster abbilden. Durch die gezielte Anregung der verschiedenen Zustände (resonante Anregung in angeregte Zustände, sowie Kontinuumszustände) können selektiv Oberflächen- und Volumenatome angesprochen und so ein Verständnis von resonanter/nicht-resonanter Streuung im Cluster entwickelt werden. Die Abbildung mit spektral breiten Attosekundenpulsen ist wissenschaftliches Neuland. Um in den Attosekundenbereich vordringen zu können wird eine Quelle für Helium-Mikrotröpfchen und Flüssigstrahlen aufgebaut, die auch bei den extrem kurzen Pulsen ausreichend Signal liefert. Die Analyse und Modellierung der experimentellen Daten wird wie bisher in enger Zusammenarbeit mit Theoriegruppen geschehen und so ein sehr detailliertes Bild der ultraschnellen Anregungs-, Ionisations- und Elektronendynamik liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Daniela Rupp