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Dienstag, 19 Mai 2020 00:00

Optisch erzeugte Femtosekunden-Magnetpulse

von Dr.-Ing. Richard Suchentrunk
Geschätzte Lesezeit: 2 - 3 Minuten

Starke Magnetfelder sind wichtige Werkzeuge, nicht nur in der Physik und in der Materialforschung, sondern zunehmend auch in anderen Zweigen der Wissenschaft und in der Medizin. In speziellen Magnetfeld-Laboren lassen sich heute sehr hohe Feldstärken erzielen. Allerdings reagieren die herkömmlichen, drahtumwickelten Solenoide zu langsam, um damit extrem schnelle magnetische Phänomene verfolgen zu können. Gerade in der Atom-, Molekül und Festkörperphysik und bei zahlreichen Anwendungen neuer Materialien ist dagegen ein Verständnis sehr schneller magnetischer Prozesse auch bei hohen Feldstärken vonnöten. Konventionelle Solenoide erreichen zwar hohe Feldstärken, allerdings ist die Geschwindigkeit begrenzt, mit der sich ihre Magnetfelder hochfahren lassen. Man erreicht zwar Schaltraten im Bereich von Mikrosekunden. Dies ist aber weit vom Femtosekundenregime entfernt, in dem viele interessante elektronische Prozesse stattfinden. Ein Team kanadischer Wissenschaftler hat nun ein neues Konzept zur blitzschnellen Erzeugung starker Magnetfelder vorgeschlagen, das auf Laserpulsen basiert und wesentlich schnellere Änderungsraten des Magnetfeldes ermöglicht.

Die Idee hinter dem neuen Vorschlag basiert darauf, die Elektronen nicht in einem Draht kreisen zu lassen, sondern in einem Plasma. Der Vorschlag der Forscher erfordert im Unterschied zu früheren Untersuchungen auch nur mäßige Laserleistungen mit Pulsenergien im Bereich einiger Mikrojoule. Frühere Konzepte gingen von einem Vortex-Laserstrahl aus, bei dem jedes einzelne Photon einen Drehimpuls in sich trägt, den er auf die Elektronen des Target-Materials überträgt. Das neue Konzept sieht hingegen einen azimuthalen Laserstrahl vor, bei dem die elektrischen Feldlinien einen Kreis um die Strahlachse bilden. Dabei ist die Feldstärke in einem ringförmigen Bereich um diese Achse am stärksten.

Wenn nun ein Elektron durch einen solchen Puls aus seinem Atom herausgeschlagen wird, würde es vom oszillierenden Feld hin und her beschleunigt. Um stattdessen eine Kreisbahn zu erzwingen, muss noch ein zweites Laserfeld doppelter Frequenz überlagert werden, das mit einer passenden Phasenverschiebung versehen ist. Die erzwungene Kreisbewegung der Elektronen führt dann zu einem Magnetfeld in Richtung des Laserstrahls. Nach den Berechnungen sollten Feldstärken bis hin zu 8,4 Tesla möglich sein, die innerhalb einer extrem kurzen Zeitspanne von nur fünfzig Femtosekunden erreicht werden. Dabei sind nicht einmal übermäßig scharfe Fokussierungsbedingungen notwendig, und für den Aufbau sollte ein Laser im mittleren Infrarot und atomarer Wasserstoff oder Helium als Target ausreichen.

Mit rein optischen Mitteln sollten sich also räumlich isolierte Magnetfelder erzeugen lassen, deren Feldstärke den Möglichkeiten in typischen Magnetfeld-Laboren entspricht. Bei diesen Feldstärken und entsprechend energiereichen Laserpulsen könnte eine Probe zerstört werden, die sich direkt am Strahlgang befindet. Wie die Forscher berichten, kann man eine Probe aber auch in sicherer Entfernung unterbringen und dennoch von den schnellen Magnetfeldern profitieren. Die neue Methode zur Magnetfelderzeugung bietet sich zum Studium sehr unterschiedlicher Probleme und für zahlreiche Anwendungen an.

www.prophysik.de

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  • Ausgabe: 1
  • Jahr: 2019

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