Was Sterne zum Leuchten bringt

Physik-News vom 19.11.2020


Internationales Forschungsteam der Universitäten in Berkeley, Madrid und Jena sowie des Institut Polytechnique de Paris beobachtet in Laborversuchen nichtlineare Ionisationsvorgänge in heißen dichten Plasmen. Solche Prozesse laufen in der gesamten sichtbaren Materie im Universum ab, waren experimentell bislang jedoch nicht zugänglich.

Wer des Nachts den Blick zum wolkenfreien Himmel richtet, sieht leuchtendes Plasma: Praktisch die gesamte sichtbare Materie im Universum – Sterne, Galaxien und interstellare Materie – besteht daraus. Anders als in den auf der Erde üblichen Aggregatzuständen „fest“, „flüssig“ oder „gasförmig“ liegt die Materie in einem Plasma als Wolke aus Ionen und freien Elektronen vor. Von der Erforschung dieser ionisierten Materie und ihrer Wechselwirkung mit Licht versprechen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge, die unser Universum geformt haben. Doch während sich Plasmen im Labor relativ einfach erzeugen lassen, ist ihre Untersuchung bislang kaum möglich, da es bisher keine Methoden gibt, den Grad der Ionisierung und die räumliche und zeitliche Verteilung der Ionen hinreichend erfassen zu können.


Wer des Nachts den Blick zum wolkenfreien Himmel richtet, sieht leuchtendes Plasma: Praktisch die gesamte sichtbare Materie im Universum – Sterne, Galaxien und interstellare Materie – besteht daraus.>

Publikation:


F. Tuitje, P. Martínez Gil, T. Helk, J. Gautier, F. Tissandier, J.-P.Goddet, A. Guggenmos, U. Kleineberg, S. Sebban, E. Oliva, C. Spielmann, and M. Zürch
Nonlinear Ionization Dynamics of Hot Dense Plasma Observed in a Laser-Plasma Amplifier
Light Sci Appl 9, 187 (2020)

DOI: 10.1038/s41377-020-00424-2



Entstehung und Wechselwirkung von hoch ionisiertem Kryptonplasma beobachten

Das kann sich nun jedoch ändern: In einer soeben im Magazin „Light: Science & Application“ veröffentlichten Arbeit, stellt ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Michael Zürch von der University of California in Berkeley eine Methodik vor, die es erlaubt, die Entstehung und Wechselwirkung von hoch ionisiertem Kryptonplasma mit kohärentem ultravioletten Licht im Femtosekundenbereich direkt zu beobachten. Die Arbeit ist in Kooperation mit dem Team um Prof. Dr. Christian Spielmann im Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena entstanden, in dem Michael Zürch bis 2018 selbst geforscht hat. Erstautor ist der Jenaer Doktorand Frederik Tuitje.

In ihrer Arbeit verwenden die Forschenden einen Laser-Plasma-Verstärker, der achtfach-ionisierte Krypton-Ionen als Lasermedium verwendet. In dieses Plasma senden sie einen kohärenten extrem ultravioletten Sondenpuls, der die Eigenschaften des Plasmas aufnimmt, während er sich durch die vom Laser erzeugte Plasmasäule ausbreitet. Anschließend wird dieser Sondenpuls mit einem neuartigen Röntgenlicht-Streuverfahren detailliert vermessen und liefert so ein Abbild der räumlichen Verteilung von Elektronen und Ionen im Plasma. Diese Methode ermöglicht die Messung der Eigenschaften des Sondenpulses, der Informationen über das Plasma in sich trägt, mit sehr hoher Auflösung. „Der Schlüssel zu dieser Analysemethode liegt in der Verwendung eines Sondenpulses mit einer Wellenlänge im extremen UV-Bereich, die kurz genug ist, damit das Plasma transparent wird“, erklärt Zürch.


Dr. Frederik Tuitje (r.) und Tobias Helk von der Universität Jena bereiten den Aufbau für die Untersuchung einer Laser-Plasma-Quelle vor.

Unerwartete räumliche Verteilung

Als Ergebnis fanden die Forscher eine räumliche Verteilung von Elektronen und Ionen, die sie in einer Wellenleitergeometrie nicht erwartet hatten. Um diese experimentellen Daten erklären und interpretieren zu können, haben Zürch und seine Kolleginnen und Kollegen ein theoretisches Modell entwickelt, das die Plasma-Licht-Wechselwirkung in vier Dimensionen über mehrere Skalen modelliert, bis sie eine Übereinstimmung mit den experimentellen Daten gefunden haben. „Damit konnten wir das beobachtete Signal auf ein stark nichtlineares Verhalten bei der Laser-Plasma-Wechselwirkung zurückführen, die das hochionisierte Krypton-Plasma erzeugt“, erläutert Zürch.

Mit diesem neuen experimentellen Ansatz lassen sich bisher verwendete theoretische Modelle zur Simulation von Laser-Plasma-Wechselwirkungen und zur Bildung von hochionisiertem Plasma überprüfen. Eine Erkenntnis aus der vorliegenden Arbeit ist, dass sich mit optischen Techniken nicht beliebig ionisierte Plasmen erzeugen lassen.

„Das entwickelte Modell ermöglicht eine genaue Vorhersage der erreichbaren Bedingungen und lässt hoffen, dass durch geeignete Laserstrahlformung sehr definierte Plasmabedingungen erzeugt werden können“, ordnet Prof. Spielmann von der Universität Jena die Studie ein. Und Prof. Zürch ergänzt: „Über ein tieferes Verständnis der Laser-Plasma-Wechselwirkungen hinaus haben unsere Erkenntnisse auch Auswirkungen auf die Entwicklung von plasmabasierten Röntgenlichtquellen oder plasmabasierten Fusionsexperimenten.“


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

25.01.2021
Optik | Quantenoptik

Optimale Information über das Unsichtbare
Wie vermisst man Objekte, die man unter gewöhnlichen Umständen gar nicht sehen kann?
06.11.2020
Festkörperphysik | Quantenoptik

„Schilde hoch!“ – Licht definiert seinen eigenen geschützten Weg
Wissenschaftler der Universität Rostock haben eine neue Art photonischer Schaltkreise entwickelt, in denen hochenergetische Lichtstrahlen ihren eigenen Weg definieren können – und sich dabei von äußeren Störeinflüssen abschirmen.
01.03.2021
Quantenoptik

Nicht verlaufen! – Photonen unterwegs im dreidimensionalen Irrgarten
Wissenschaftlern ist es gelungen, dreidimensionale Netzwerke für Photonen zu entwickeln.
09.08.2018
Quantenoptik | Teilchenphysik

Langsam, aber effizient
Intensive Laser-Cluster Wechselwirkungen führen zu niedrigenergetischer Elektronenemission.
13.05.2022
Quantenoptik

Mehr Effizienz für optische Quantengatter
Quantencomputer sollen künftig nicht nur besonders knifflige Rechenaufgaben lösen, sondern sich auch zu einem Netzwerk für den sicheren Austausch von Daten verbinden lassen.
01.03.2021
Akustik | Optik | Quantenoptik

Nanoschallwellen versetzen künstliche Atome in Schwingung
Einem deutsch-polnischen Forscherteam ist es gelungen, gezielt Nanoschallwellen auf einzelne Lichtquanten zu übertragen.
22.08.2017
Astrophysik | Quantenoptik

Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten
Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) konnten mit Kollegen aus Deutschland und den USA zeigen, dass sich in den Eisriesen unseres Sonnensystems „Diamantregen“ bildet.
18.10.2022
Atomphysik | Thermodynamik | Quantenoptik

Lichtgetriebene Molekülschaukel
Chemiker und Physiker haben mit ultrakurzen Laserpulsen die Atome von Molekülen in Schwingung versetzt und die dabei stattfindende Dynamik der Energieübertragung analysiert.
28.06.2018
Quantenoptik | Teilchenphysik

Ein einzelnes Atom vermittelt starke Wechselwirkungen zwischen Lichtquanten
Physiker am MPQ in Garching beobachten in einem Atom-Resonator-System starke Wechselwirkungen zwischen verschiedenfarbigen Photonen.
17.04.2018
Quantenoptik

Laserbasiertes Röntgenbild im Eiltempo
Garchinger Laserphysiker haben mit Hilfe einer laserbasierten Röntgentechnik erstmals eine Knochenprobe innerhalb weniger Minuten rekonstruiert.
24.10.2018
Quantenphysik | Quantenoptik

Mehr Torerfolge beim Quantenfußball
Physiker der Universität Bonn haben eine Methode vorgestellt, die sich eventuell zur Herstellung so genannter Quanten-Repeater eignet.
26.06.2018
Festkörperphysik | Quantenoptik

Asymmetrische Nano-Antennen liefern Femtosekunden-Pulse für Optoelektronik
Einem Team unter Leitung der TUM-Physiker Alexander Holleitner und Reinhard Kienberger ist es erstmals gelungen, mit Hilfe nur wenige Nanometer großer Metallantennen ultrakurze, elektrische Pulse auf einem Chip zu erzeugen, diese dann einige Millimeter weiter wieder kontrolliert auszulesen.
24.04.2020
Elektrodynamik | Quantenoptik

Vermessung der Dynamik von Skyrmionen aus Licht auf ultraglatten Goldplättchen
Im Zentrum eines Wirbels bestehen sehr hohe Drehgeschwindigkeiten, die bei großen Tornados gewaltige Zerstörungskräfte entfalten können.
03.08.2017
Quantenoptik

Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse
Spektral breite Röntgenpulse lassen sich rein mechanisch „zuspitzen“.
07.02.2022
Quantenoptik

Wie Lichtteilchen uns hinters Licht führen
Wissenschaftlern ist es gelungen, das Verhalten von gepaarten Lichtteilchen in optischen Schaltkreisen zu steuern.
15.03.2022
Akustik | Quantenoptik

Klang des Lichts: Wie verdrehtes Licht stabile Schallwellen erzeugt
Werden Laserstrahlen in hohlen Kristallfasern auf eine schraubenförmige Achterbahn geschickt, erzeugen sie akustische Wellen: aus Lichtwellen werden Töne – die allerdings unhörbar für Menschen sind.
20.05.2022
Quantenoptik

Laser- und Röntgenstrahlen mischen
Anders als fiktive Laserschwerter interagieren reale Laserstrahlen nicht miteinander, wenn sie sich kreuzen.
14.06.2019
Festkörperphysik | Quantenoptik

Starre Bindungen für neue Smartphone-Datenspeicher
Experimente am Röntgenlaser zeigen, wie die Datenspeicherung mit neuen Phasenwechselmaterialien noch besser und effizienter werden könnte.
23.04.2018
Elektrodynamik | Quantenoptik

Moleküle brillant beleuchtet
Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert.
19.02.2019
Quantenoptik

Physiker der TU Dortmund legt neue Grundlagen für die Weiterentwicklung von Strahlungsquellen
Die Forschungsergebnisse des Teams um JProf.
22.03.2019
Elektrodynamik | Quantenoptik

Optisch aktive Materialien - Physiker der Universität Leipzig lösen hundert Jahre altes Problem
Die Orientierung des zum Licht gehörenden elektrischen Feldes wird allgemeinhin als Polarisation bezeichnet.
24.09.2021
Quantenoptik

Winzige Laser, die wie einer zusammenwirken
Israelische und deutsche Forscher:innen des Exzellenzclusters ct.
17.02.2021
Quantenoptik | Teilchenphysik

Röntgen-Doppelblitze treiben Atomkerne an
Erstmals ist einem Forscherteam des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik die kohärente Kontrolle von Kernanregungen mit geeignet geformten Röntgenlicht gelungen.
23.01.2019
Quantenoptik

Ein neues Zuhause für Ultrakurzzeit-Solitonen
Laserphysiker des Labors für Attosekundenphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik erzeugen erstmals dissipative Solitone in passiven Freistrahlresonatoren.
21.02.2019
Atomphysik | Quantenoptik

Diamanten, die besten Freunde der Quantenwissenschaft - Quantenzustand in Diamanten gemessen
Mithilfe von Kunstdiamanten gelang einem internationalen Forscherteam ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Hightech-Anwendung von Quantentechnologie: Erstmals konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen den Quantenzustand eines einzelnen Qubits in Diamanten elektrisch zu messen.
11.03.2022
Quantenoptik

Quanteninformation: Licht aus Seltenerdmolekülen
Mit Licht lässt sich Quanteninformation schnell, effizient und abhörsicher verteilen.
12.02.2019
Atomphysik | Quantenoptik

Verwandlung im Licht
Laserphysiker nehmen Schnappschüsse vom Kohlenstoffmolekül C₆₀ auf und weisen seine Verwandlung im starken Infrarotlicht nach.
12.03.2021
Quantenphysik | Quantenoptik

Quantenkontrolle mit Fernbedienung
Quantentechnologien basieren auf der präzisen Kontrolle des Zustands und der Wechselwirkung einzelner Quantenteilchen.
14.11.2017
Quantenoptik

Wesentliche Quantencomputer-Komponente um zwei Größenordnungen verkleinert
Forscher am IST Austria haben kompakte nichtmagnetische Photonenrouter entwickelt.
22.01.2021
Festkörperphysik | Quantenoptik | Thermodynamik

Physiker filmen Phasenübergang mit extrem hoher Auflösung
Laserstrahlen können genutzt werden, um die Eigenschaften von Materialien gezielt zu verändern.
27.10.2020
Quantenoptik | Teilchenphysik

Rotation eines Moleküls als „innere Uhr“
Mit einer neuen Methode haben Physiker des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik die ultraschnelle Fragmentation von Wasserstoffmolekülen in intensiven Laserfeldern detailliert untersucht.
29.10.2018
Quantenoptik | Teilchenphysik

Weyl-Fermionen im Spotlight
Forscher aus der Theorieabteilung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und der North Carolina State University in den USA haben gezeigt, dass der lang gesuchte semi-metallische, magnetische Weyl-Zustand mit ultraschnellen Laserpulsen in magnetischen Materialien, den sogenannten Pyrochlor-Iridaten, erzeugt werden kann.
18.11.2015
Quantenphysik | Quantenoptik

Qualitätskontrolle für Quantensimulatoren
Wissenschaftler der FU Berlin, der Universidade Federal do Rio de Janeiro und des MPQ entwickeln neues Verfahren für die Zertifizierung photonischer Quantensimulatoren.
12.02.2019
Teilchenphysik | Quantenoptik

Ungewöhnliche Symmetrie: Physiker kontrollieren Elektronen mit ultraschnellen Laserpulsen
Symmetrien sind in der Natur allgegenwärtig – etwa die Spiegelsymmetrie der Hände oder die sechszählige Symmetrie einer Schneeflocke.
01.09.2021
Quantenoptik | Teilchenphysik

Lichtinduzierte Formänderung von MXenen
Licht im Femtosekundenbereich erzeugt schaltbare Nanowellen in MXenen und bewegt deren Atome mit Rekordgeschwindigkeit.
01.07.2020
Quantenoptik | Teilchenphysik

In das Innere der atomaren Materie blicken: Pikoskopie
Wissenschaftlern aus den Arbeitsgruppen von Professor E.
26.02.2018
Quantenphysik | Quantenoptik

Auf dem Weg zum Quantencomputer: Weltweit erstes schaltbares Quanten-Metamaterial untersucht
Quantencomputer können eine große Zahl an Rechenoperationen gleichzeitig ausführen.
15.06.2021
Festkörperphysik | Quantenoptik

Ultrakurze Verzögerung
Trifft Licht auf Materie geht das an deren Elektronen nicht spurlos vorüber.
18.09.2018
Plasmaphysik | Quantenoptik

Extrem klein und schnell: Laser zündet heißes Plasma
Feuert man Lichtpulse aus einer extrem starken Laseranlage auf Materialproben, reißt das elektrische Feld des Lichts die Elektronen von den Atomkernen ab.
03.11.2022
Kernphysik | Quantenoptik

Weltweit erste optische Atomuhr mit hochgeladenen Ionen
Forschende haben einen neuen Typ von optischen Atomuhren realisiert und evaluiert.
05.12.2019
Kernphysik | Quantenoptik

Mit starken Lasern zur Fusion: HZDR-Wissenschaftler wollen die Verschmelzung von Atomkernen quantenmechanisch anstoßen
Kernphysik ist üblicherweise die Domäne hoher Energien.
05.11.2019
Festkörperphysik | Quantenoptik

Laser erzeugt topologischen Zustand in Graphen
Die Entdeckung neuer Methoden zur Kontrolle topologischer Aspekte von Quantenmaterialien ist ein wichtiges Forschungsfeld, da mit ihnen Materialien mit wünschenswerten Ladungs- und Spintransporteigenschaften für zukünftige Technologien entwickelt werden können.
09.08.2018
Quantenoptik

Quantenketten in Graphen-Nanobändern
Empa-Forschenden ist gemeinsam mit Forschenden des Max Planck Instituts für Polymerforschung in Mainz und weiteren Partnern ein Durchbruch gelungen, der künftig für präzise Nanotransistoren oder – in fernerer Zukunft – möglicherweise gar bei Quantencomputer Anwendung finden könnte, wie das Team in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals «Nature» berichtet.
18.06.2021
Quantenoptik

Paradoxe Wellen: Gefangene Lichtteilchen auf dem Sprung
Physikern ist es gelungen, ein neuartiges Verhalten von Lichtwellen zu beobachten, bei welchem Licht durch eine neue Art von Unordnung auf kleinste Raumbereiche begrenzt wird.
02.11.2022
Elektrodynamik | Quantenoptik

Fit für die Terahertz-Ära: Maßgeschneidertes Quantenmaterial
Ein internationales Forschungsteam hat einen Weg gefunden, Terahertz-Strahlung durch Frequenzumwandlung mit deutlich höherer Effizienz zu erzeugen als mit bisherigen Technologien.
01.10.2019
Relativitätstheorie | Quantenoptik

Beyond Einstein: Rätsel um Photonen-Impuls gelöst
Physiker der Goethe-Uni messen winzigen Effekt mit neuer super-COLTRIMS Apparatur/ Publikation in Nature Physics.
07.02.2019
Teilchenphysik | Quantenoptik

Ultrakurzzeit-Experimente im Schnelldurchlauf
Eine internationale Gruppe von Forscherinnen und Forschern unter Beteiligung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie seiner beiden Außenstellen, den Helmholtz-Instituten Mainz und Jena, hat die ersten Ionisierungsenergien der künstlich erzeugten Elemente Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium bestimmt.
29.06.2018
Quantenphysik | Quantenoptik

Neue Methoden der 2D-Spektroskopie
Mit optischer Spektroskopie können Energiestruktur und dynamische Eigenschaften komplexer Quantensysteme untersucht werden.
27.07.2017
Elektrodynamik | Quantenoptik

Physiker designen ultrascharfe Pulse
Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können.
28.06.2018
Quantenoptik

Chemische Reaktionen im Licht ultrakurzer Röntgenpulse aus Freie-Elektronen-Lasern
Ultrakurze, hochintensive Röntgenblitze öffnen das Tor zu den Grundlagen chemischer Reaktionen.