Die uns umgebende Natur besteht zum großen Teil aus Atomen: im Zentrum der
Kern und "darüber" erhebt sich eine Art "Leiter", auf deren Sprossen
(Energieniveaus) sich die Elektronen
verteilen. Findet eines von ihnen eine freie tiefer gelegene Sprosse, läßt es
sich hinunterfallen. Die Wucht des Aufpralls stößt dabei wie beim Billiard ein
kleines Teilchen aus dem Atom - ein Photon
- welches von außen als schwacher Lichtblitz wahrgenommen werden kann. Gelingt
es durch einen Trick, sehr viele Elektronen gleichzeitig (kohärent) runter
springen zu lassen, kombinieren sich die Blitze zu einem starken Lichtstrahl,
einem Laserstrahl. Diesen kann man
jetzt umgekehrt benutzen, um z.B.
Elektronen eines Festkörpers auf ihrer Leiter nach oben zu stoßen, wodurch das Material in "helle Aufregung"
gerät. Die nun einsetzende wilde Hüpferei kann man - mit viel Gefühl und
Erfahrung - dazu benutzen, die Elektronen verschiedenste nützliche Dinge tun zu
lassen, die längst Einzug in unseren Alltag gefunden haben: man denke an Laser
im CD-Player, Laserpointer, beim Arzt, beim akuraten Schneiden von Metallen
usw.
Was passiert nun, wenn man einem Elektronen einen so großen Stoß nach oben
versetzen, daß es über die oberste Leitersprosse hinausschießt? Es kann sich
frei bewegen, und zurück bleibt ein Ion. Bombardiert man einen Festkörper immer
weiter mit Laserphotonen, wird er mehr und mehr Elektronen verlieren und sich
gleichzeitig so stark erhitzen, daß schließlich ein Gas von Elektronen und
Ionen übrigbleibt - ein heißes Plasma, ähnlich dem, aus dem unsere Sonne
besteht und für das es auch im Forschungslabor und in der Materialbearbeitung
vielfältige interessante Anwendungen gibt.
Nun ist es leicht einzusehen, daß die Energie der herausgeschlagenen
Photonen umso größer ist, je tiefer die
Elektronen hinab springen. Interessanterweise ändert sich dabei die Farbe
(Frequenz) des Lichtes von Rot über Blau, Ultraviolett, sogar bis hin zu
Röntgenstrahlung. Deswegen beschäftigen
sich heute viele Forscher in aller Welt damit, ganz gezielt neue Materialien
mit gewünschten Energie-"Sprossen"abständen herzustellen.
Neben der Frequenz des Lichtstrahls möchte man ganz gern auch seine Energie
variieren können. Die ist allerdings
begrenzt - nämlich durch die Zahl der aus den Atomen herausgeschlagenen
Photonen, also durch die Zahl der Elektronen, die sich zum gleichzeitigen Absprung bewegen lassen,
und läßt sich nur schwer über wenige Joule1
hinaus erhöhen. DerAusweg ist denkbar einfach und wurde vor wenigen Jahren auch
technisch auf spektakuläre Weise verwirklicht: Man "staucht" den gesamten
Laserstrahl auf wenige µm[1] Länge
zusammen, so daß alle Photonen fast gleichzeitig (innerhalb weniger
Femtosekunden[2]) wie eine Bombe einschlagen. Das Resultat ist
faszinierend: selbst den schwersten Atomen werden auf einen Schlag alle
Elektronen entrissen, diese können bis fast auf Lichtgeschwindigkeit
beschleunigt werden. Mehr noch - Festkörper werden durch das Licht förmlich
zusammengequetscht, und selbst so exotische
Vorhersagen der Quantentheorie, wie die Verwandlung von Photonen in Materie
(Elektron-Positron-Paare) sind in greifbare Nähe gerückt. Und das alles ist erst der Anfang einer ganz
neuen dramatischen Entwicklung, die der gegenwärtigen Computerrevolution in
nichts nachstehen wird.
Für den Physiker ist es eine große Herausforderung im Detail zu verstehen,
wie sich Materie auf so kurzen Zeiten verhält. Auch dabei eröffnen
Femtosekundenlaser völlig neue Möglichkeiten - als Meßsonde von unübetroffener
Empfindlichkeit und Zeitauflösung. Hier gibt es am Fachbereich Physik der
Universität Rostock bemerkenswerte Erfolge. Andererseits, Experimente zu
erklären bzw. neue Phänomene vorherzusagen, ist Aufgabe der Theorie. Gemeinsam
mit Rostocker Wissenschaftlern, sowie Kollegen im In- und Ausland versuche ich,
das Verhalten vieler Elektronen,
Ionen, Atome und Photonen, ihre vielfältigen Wechselwirkungen miteinander und
Verwandlungen auf diesen extrem kurzen Zeitskalen zu modellieren. Ausgangspunkt
sind dabei die fundamentalen Gleichungen der Vielteilchenphysik, der
Quantenfeldtheorie[3], die wir seit kurzem auf modernen Supercomputern
lösen können.
Diese Modelle immer realistischer zu gestalten, um die oben genannten
faszinierenden Phänomene praktisch nutzbar zu machen und neue zu entdecken, ist
eine lohnende Aufgabe, bei der großer Bedarf an klugen Köpfen besteht. Um hier
erfolgreich zu sein, muß man komplexe Zusammenhänge begreifen, aber in erster
Linie bereits in der Schule tiefgehendes physikalisches Verständnis und solide
Grundkenntnisse erwerben.