Seine Grundlagenforschung in der Laseroptik führte Ferenc Krausz um die Jahrtausendwende an der TU Wien durch. Bei seinen Forschungskolleg_innen, die auf den Spuren Krausz‘ nach wie vor am Institut für Photonik an ultrakurzen Pulsen arbeiten, ist die Freude besonders groß.

Ferenc Krausz wurde - gemeinsam mit Pierre Agostini und Anne L'Huillier – am 3. Oktober 2023 mit dem Physik-Nobelpreis 2023 ausgezeichnet. Das Nobelpreiskomitee nannte in seiner Begründung ausdrücklich die Experimente, die Ferenc Krausz in den 1990erjahren und frühen 2000ern an der TU Wien durchführte. Seit 2003 ist Ferenc Krausz Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching.

Ferenc Krausz studierte Physik an der TU Budapest, 1988 wechselte er an die TU Wien, wo er im Jahr 1991 promovierte und bereits zwei Jahre später in Laserphysik habilitiert wurde. In den darauffolgenden Jahren gelangen ihm an der TU Wien immer wieder wichtige Experimente, mit denen er die Grundlagen für ein neues Forschungsfeld schuf: Die Attosekundenphysik, das Studium von Effekten, die auf für uns Menschen kaum vorstellbar kurzen Zeitskalen ablaufen: Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde.

Ferenc Krausz wurde zunächst Assistenzprofessor, dann Professor für Elektrotechnik an der TU Wien. 2004 schließlich wechselte er an die LMU München und wurde Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching. Bis heute ist er Honorarprofessor an der TU Wien.

Die Physik der ultrakurzen Zeiträume

Wer jemals eine schnelle Bewegung fotografieren wollte, weiß: Man braucht dafür eine kurze Belichtungszeit, sonst bekommt man nur ein verschwommenes Bild. In der Quantenphysik ist es so ähnlich: Wenn man Prozesse untersuchen möchte, die sich auf ultrakurzen Zeitskalen abspielen, zum Beispiel das Verhalten eines Elektrons im Atom, dann braucht man extrem kurze Laserpulse.

Man kann kurze Laserpulse erzeugen, indem man mehrere Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen miteinander kombiniert – aber das genügt nicht. Allerdings stieß man in den 1980erjahren auf einen Effekt, der einen anderen, besseren Weg aufzeigte: Wenn man kurze Laserpulse mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich durch bestimmte Gase schießt, entsteht eine neuartige Art von Laserlicht mit viel höheren Frequenzen.

Elektronen, die mit Atomen kollidieren

Es dauerte eine Weile, bis der Grund dafür klar wurde: Wenn der Laserpuls ausreichend stark ist, kann es einzelnen Atomen im Gas ein Elektron entreißen. Dieses Elektron wird dann vom Laserlicht beschleunigt, kehrt aber dann um und stößt wieder mit seinem Atom zusammen.

Dabei wird viel Energie frei, und zwar in Form von Licht. Dieses Licht hat Frequenzen im Röntgenbereich – also in einem viele höheren Energiebereich als das Licht des ursprünglichen Infrarot-Lasers.

Einzelne ultrakurze Laserpulse

Diese Röntgenfrequenzen, die beim Zusammenstoß der Elektronen mit ihren Atomen entstehen, kann man nun auf ausgeklügelte Weise miteinander kombinieren. Ferenc Krausz gelang es mit seinem Team an der TU Wien, daraus einzelne ultrakurze Laserpulse zu erzeugen. Gemeinsam mit einem Team aus Mailand gelang in den späten 1990erjahren die Erzeugung von Lichtpulsen mit einer Dauer von rund fünf Femtosekunden. 2001 schließlich publizierte Ferenc Krausz ein bahnbrechendes Paper, in dem der erste Puls mit einer Dauer von weniger als einer Femtosekunde nachgewiesen wurde: Mit 650 Attosekunden hatte man einen weiteren Weltrekord aufgestellt – und die Tür zur Attosekunden geöffnet.

Den Quanten auf der Spur

Mit solchen ultrakurzen Pulsen kann man den zeitlichen Verlauf von Prozessen studieren, die bis dahin als „augenblicklich“ oder „instantan“ bezeichnet worden waren. Was genau passiert, wenn ein Elektron aus dem Atom herausgelöst wird? Verlassen manche Elektronen das Atom schneller als andere? Wie lange dauert eigentlich ein Quantensprung? Solche Fragen lassen sich nun mit Hilfe dieser Attosekunden-Pulse nun untersuchen. Selbst in Richtung biologischer Anwendungen wird geforscht: Die besonderen Eigenschaften dieser Attosekunden-Lichtpulse könnten es sogar erlauben, sie zum Untersuchen biologischer Proben und zur Diagnose von Krankheiten zu verwenden.

Rückfragehinweis:

Prof. Karl Unterrainer
(Vorstand des Instituts für Photonik, an dem Ferenc Krausz seine Experimente durchführte)
Technische Universität Wien
+43 1 58801 38730
karl.unterrainer@tuwien.ac.at

Prof. Andrius Baltuska
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 38749
andrius.baltuska@tuwien.ac.at

Aussender:

Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
+43 1 58801 41027
florian.aigner@tuwien.ac.at