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Nanostrukturen in extremem Licht

Femtosekundenlaserpulse treffen auf Silizium-Nanodrähte und erzeugen besonders heiße und dichte Plasmen

PTB-New 3.2019
24.09.2019
Besonders interessant für

Kernphysik

Astrophysik

In einem Forschungskonsortium ist es gelungen, in ein neues Regime der relativistischen Licht-Materie-Wechselwirkung vorzustoßen. Dadurch wurden in einem kompakten Laborexperiment sehr heiße und dichte Plasmen erzeugt, die neue Perspektiven für Experimente zur laser-induzierten Kernphysik und Laborastrophysik ermöglichen.

Links: Farblich kodierte räumliche Verteilung der Elektronentemperatur Τe in den Nanostrukturen. Mitte: Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Nanostruktur im Querschnitt, Rechts: Elektronendichteverteilung ne. Die Falschfarbendarstellungen links und rechts zeigen die Ergebnisse von Simulationen.

Plasmen hoher Dichte und Temperaturen von mehr als 100 Millionen Kelvin können entstehen, wenn hoch-intensive Laserpulse mit Festkörpern wechselwirken. Bei sehr hohen Laserintensitäten können die Elektronen im Festkörper dabei auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Um das zu erreichen, muss der einfallende Lichtpuls mit einem möglichst großen Volumen des entstandenen Plasmas wechselwirken. Mit zunehmender Wellenlänge nimmt die zum Erreichen des relativistischen Regimes erforderliche Laserintensität zwar ab, gleichzeitig gelangt das Plasma jedoch schneller in einen Zustand, in dem es für den einfallenden Lichtpuls opak wird. Damit kann Licht nur in einem kleinen Volumen nahe der Oberfläche absorbiert werden und zur Beschleunigung der Elektronen beitragen.

In Zusammenarbeit mit Instituten aus Jena, Düsseldorf, Wien, Darmstadt und Frankfurt/Main ist es in der LENA-Nachwuchsgruppe für Metrologie funktionaler Nanosysteme an der PTB und der TU Braunschweig erstmals gelungen, dieses Problem durch die Kombination von Femtosekunden-Laserpulsen mit einer mittleren Wellenlänge von 3,9 µm und nanostrukturierten Targets aus kristallinem Silizium zu lösen. Anhand gemessene Röntgenemissionsspektren wurde – gestützt durch numerische Simulationen – nachgewiesen, dass die Nanostrukturen die Eigenschaften des entstehenden Plasmas derart verändern, dass 80 % des einfallenden Lichtes absorbiert werden. Dies ermöglicht auf Labormaßstab langlebige Plasmen mit Temperaturen im Bereich von 300 Millionen Kelvin mit hochgeladenen Ionen und Elektronendichten von 6 · 10–23cm3.Die Dichten sind dabei etwa tausendmal höher als bei einem konventionellen, unstrukturierten Target.

Statt der bisher im ultravioletten Spektralbereich verwendeten Laserpulse mit Energien im Bereich wenigenr Joule erfordert die Verwendung von Lasersystemen mit Wellenlängen im mittleren infraroten Spektralbereich lediglich Energien von wenigen 10 mJ und ist damit sehr vielversprechend für Anwendungen in der laserbasierten Kernphysik. Darüber hinaus konnten in den durchgeführten Experimenten Femtosekundenlaserpulse im Röntgenspektralbereich erzeugt werden, die sehr attraktiv für die zeitaufgelöste Charakterisierung von Plasmen sein können.

Ansprechpartnerin

Stefanie Kroker
LENA-Nachwuchsgruppe für Metrologie funktionaler Nanosysteme
Telefon: (0531) 592-4530
Opens window for sending emailstefanie.kroker(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Z. Samsonova, S. Höfer, V. Kaymak, S. Ališauskas, V. Shumakova, A. Pugžlys, A. Baltuška, T. Siefke, S. Kroker, A. Pukhov, I. Uschmann, C. Spielmann, D. Kartashov: Relativistic interaction of long-wavelength ultrashort laser pulses with nanowires. Physical Review X 9, 021029 (2019)