Steuerung der quantenmechanischen Phase in intensiven phasenmodulierten femtosekunden Laserpulsen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Baumert
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5433743

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projektes war es, die physikalischen Mechanismen der Steuerung von Quantensystemen mittels intensiver phasenmodulierter Laserpulse systematisch an atomaren Modellsystemen zu untersuchen und ein quantitatives Verständnis der Quantenkontrolle an diesen Systemen jenseits der Störungsrechnung zu erlangen. In dem Projekt wurde der physikalischen Starkfeld Mechanismus der selektiven Besetzung bekleideter Zustände (Selective Population of Dressed States, kurz SPODS) experimentell beobachtet und theoretisch beschrieben. Der Mechanismus beruht darauf, dass die Wechselwirkung eines intensiven Felds mit einem Quantensystem zur Verschiebung der Energieniveaus des Systems führt. Die Eigenzustände des Systems im Lichtfeld werden „dressed states“, d. h. bekleidete Zustände genannt. SPODS vereinigt bisher bekannte Starkfeldkontrollstrategien in dem übergeordneten physikalischen Bild der bekleideten Zustände und ermöglicht ultraschnelle, selektive und hocheffiziente Kontrolle. Ein anschauliches physikalisches Bild der Kontrolle beruht darauf, dass die zeitliche Phase des Laserfeldes während der Wechselwirkung mit sub-cycle Präzision auf die Dynamik des atomaren Dipols angepasst wird, so dass das elektrische Feld des Laserpulses und das induzierte atomare Dipolmoment zu jedem Zeitpunkt antiparallel (bzw. parallel) stehen. Dadurch wird die Gesamtenergie des Systems (Licht und Materie) während der Wechselwirkung mit dem maßgeschneiderten Lichtfeld gezielt erhöht (bzw. vermindert). Die SPODS Methode wurde auf Mehrzustandssysteme verallgemeinert und theoretisch mit Hilfe von Wellenpaketsimulationen für zweiatomige Moleküle beschrieben. Erste Vorexperimente deuten darauf hin, dass es gelingen kann, die Dynamik kleiner Moleküle mit der SPODS Methode zu kontrollieren. Als Reaktion auf unsere Publikation „Robust Photon Locking“ in Physical Review Letters sind folgende Berichte in Publikumsmedien erschienen: „Wenn Elektronen tanzen“ Physiker an der Universität Kassel verändern Materie mit ultraschnellen Lichtimpulsen. HNA, 16. März 2009 „Maßgeschneidertes Laserlicht bekleidet Atome ultra-schnell“. Laser Magazin 1/2009

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Femtosecond Laser Spectroscopy" ed. by Hannaford, P. (Springer Verlag, 2005). “Optimal Control of Atomic, Molecular and Electron Dynamics with Tailored Femtosecond Laser Pulses”
  Brixner, T., Pfeifer, T., Gerber, G., Wollenhaupt, M., and Baumert, T.
  
• Annual Review of Physical Chemistry, 56, 25 – 56. “Femtosecond Laser Photoelectron Spectroscopy on Atoms and Small Molecules: Prototype Studies in Quantum Control”
  
  
• Journal of Modern Optics, 52, 2187 – 2195. “Quantum control and quantum control landscapes using intense shaped femtosecond pulses”
  
  
• Journal of Optics B, 7, S270 – S276. “Strong field quantum control by selective population of dressed states”
  
  
• Applied Physics B 82, 183 – 188. “Quantum control by selective population of dressed states using intense chirped femtosecond laser pulses”
  
  
• Chemical Physics Letters, 419, 184 – 190. “Quantum control by ultrafast dressed states tailoring”
  
  
• Journal of Photochemistry and Photobiology A, 180, No. 3, 248 – 255. “Ultrafast strong field quantum control on K2 dimers”
  
  
• Physical Review A, 73, 063409-1 – 063409-15. “Femtosecond strong-field quantum control with sinusoidally phase-modulated pulses”
  
  
• Journal of Physics: Conference Series, 88, 012053. “Coherent control of electrons, atoms and molecules with intense shaped light pulses”
  
  
• J. Phys. B, Special Issue on Coherent Control, 41, 074007-1 – 074007-13. “Strong-field control landscapes of coherent electronic excitation”
  
  
• J. Phys. B, Special Issue on Coherent Control, 41, 074019-1 – 074019-7. “Modelling of ultrafast coherent strong-field dynamics in potassium with neural networks”
  
  
• Springer Proceedings in Physics 127, 327 (Physics and Engineering of New Materials)" ed. by D. Cat, A. Pucci and K. Wandelt. “Ultrafast Switching of Coherent Electronic Excitation: Great Promise for Reaction Control on the Femtosecond Time Scale”
  
  
• Applied Physics B (Rapid Communication) 95, 647 – 651. “Three-dimensional tomographic reconstruction of ultrashort free electron wave packets”
  
  
• Applied Physics B, 95, 245 – 259. “Photoelectron angular distributions from strong-field coherent electronic excitation”
  
  
• New Journal of Physics, 11, 105051. “Coherent strong-field control of multiple states by a single chirped femtosecond laser pulse”
  
  
• Physical Review Letters, 102, 023004. “Robust Photon Locking”
  
  
• Physical Review A, 81, 053422. “Three-state selective population of dressed states via generalized spectral phase-step modulation”