Spin-abhängige und ultra-schnelle Kapitza-Dirac-Streuprozesse

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Müller
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579080137

Als Kapitza-Dirac-Effekt (KDE) bezeichnet man die quantenmechanische Streuung von Elektronen am Potential zweier gegenläufiger Laserwellen. Er entspricht - mit vertauschten Rollen von Licht und Materie - der Lichtbeugung an einem Gitter und ermöglicht es, die Quantendynamik freier Elektronen mit optischen Methoden gezielt zu beeinflussen. In diesem theoretischen Projekt werden verschiedene Aspekte des KDE im Regime nichtrelativistischer Energien und Feldstärken untersucht. - Der erste Teil des Projekts ist spin-abhängigen KDE-Prozessen in bichromatischen Laserfeldern gewidmet. Ein Spinflip des einfliegenden Elektrons kann sich z.B. ereignen, wenn es zwei „kleine“ Photonen absorbiert und ein „großes“ Photon der doppelten Frequenz in die gegenläufige Laserwelle emittiert. Durch Variation der Wechselwirkungsdauer entsteht eine Rabi-Oszillation zwischen Spin-up- und Spin-down-Zustand. Diese resonante Spinflip-Dynamik wird jedoch durch eine intrinsische Verstimmung behindert, die man bislang nicht unter Kontrolle hat. Sie führt zu unvollständigen Spin-Übergängen und beschränkt die Effizienz des KDE zur gezielten Steuerung der elektronischen Spindynamik. Unser Hauptziel in diesem Projektteil ist es, das Verstimmungsproblem zu beheben. Dazu soll eine analytische Formel für den optimalen Anfangsimpuls des Elektrons hergeleitet werden, der zur perfekten Resonanz führt; dafür sind Feld-Dressing-Effekte in den gegenläufigen Wellen einzubeziehen. Solche optimalen Elektronenimpulse sollen für verschiedene Feldgeometrien gefunden werden, um deren Potential zur Spinpolarisation freier Elektronen bestmöglich ausschöpfen zu können. - Im komplementären Fall einer sehr breiten Impulsverteilung des einlaufenden Elektrons ist vor kurzem eine ultra-schnelle Version des KDE in einer einfarbigen stehenden Laserwelle experimentell entdeckt worden. Der gefundene Effekt resultiert aus der quantenmechanischen Interferenz eines einlaufenden elektronischen Wellenpakets mit seiner gestreuten, um den absorbierten Photonenimpuls verschobenen Kopie und hängt folglich explizit von der Quantenphase des Elektrons ab. Im zweiten Teil des Projekts sollen weitergehende Eigenschaften dieses neuartigen ultra-schnellen KDE erforscht werden, indem die Quantendynamik elektronischer Wellenpakete in verschiedenen Feldkonfigurationen untersucht wird. Läuft der Prozess etwa in einer zweifarbigen stehenden Welle ab, sind zusätzliche Zwei-Farben-Interferenzen zu erwarten, deren Wechselspiel mit den Wellenpaketsinterferenzen zu ergründen ist. Zudem kann die Quantenphase des Elektrons durch die Polarisation der streuenden Felder oder die Einstrahlung zusätzlicher Laserfelder beeinflusst werden. - Die angestrebten Projektresultate werden wesentlich zu einem vertieften Verständnis von KDE-Prozessen beitragen und offenlegen, wie diese in optimaler Weise zur gezielten optischen Manipulation des Spins und der Phase freier Elektronen dienen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen