Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05 Archiv

Eines der dringend zu lösenden Probleme des Physikunterrichts stellt das im Vergleich zu anderen Schulfächern geringe Interesse der Schüler und insbesondere Schülerinnen dar. Mangelnde Lernmotivation führt langfristig zu geringeren Lernerfolgen und zu einem Desinteresse an naturwissenschaftlichen Fragen als Erwachsener. Inzwischen gibt es eine Reihe von Untersuchungen über das Interesse von Schülerinnen und Schülern die zeigen, dass medizinische und biologische Themen auf relativ hohes Interesse stoßen. Von diesen Befunden ausgehend wurden für eine Reihe von medizinischen Themen Unterrichtseinheiten entwickelt und ihre Wirksamkeit bezüglich einer Interessenserhöhung überprüft. Folgende biologisch-medizinische Kontexte für die Einführung bzw. Anwendung physikalische Begriffe und Gesetze wurden ausgewählt: • Anhand des menschlichen Bewegungsapparates (Armgelenk, Kauapparat und Belastung der Wirbelsäule) wurden Begriffe wie Hebel und Drehmoment sowie Schwerpunkt erklärt. • Normale Atmung und Atmung beim Tauchen wurden zur Einführung des Luftdrucks verwendet. Weiterhin wurden physikalische Aspekte von Störungen im Blutkreislauf (Thrombose, Stenose, Aneurysma) betrachtet, um Begriffe und Gesetze aus der Hydrostatik und Hydrodynamik zu behandeln. • Einfache Untersuchungen am Auge, sowie die Behandlung der wichtigsten Fehlsichtigkeiten in Verbindung mit der Anatomie und Physiologie des menschlichen und tierischen Auges werden thematisiert. Hierbei standen die Akkommodationsformen in Luft und Wasser im Vordergrund. Den am Unterrichtsversuch beteiligten Lehrkräften wurden Materialsammlungen zur Verfügung gestellt. Die Unterrichtsvorschläge waren nicht bis ins letzte Detail ausgearbeitet, sodass die Lehrkräfte einen relativ großen Spielraum bei der Unterrichtsgestaltung hatten. Dies entspricht u.E. einer weitgehend realitätsnahen Verwendung von Vorschlägen durch die Lehrkräfte. Zur Veranschaulichung und Unterstützung der Themen wurden viele, auf die Grundfunktionen reduzierte Modelle gebaut und für die Erprobung zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe einer Reihe von Fragebögen wurden die Einstellung der Lehrkräfte zu den unterrichteten Themen und das allgemeine Interesse der Schülerinnen und Schülern an Physik, sowie die Interessantheit des Unterrichts untersucht. Die Lehrerbefragung ergab, dass die neuen Unterrichtskonzeptionen, mit dem Ziel das Interesse an den Gegenständen der Physik durch eine explizite Berücksichtigung biologischmedizinischer Kontexte zu erhöhen, bei den Lehrkräften auf hohe Akzeptanz stoßen. Nach ihrer Einschätzung vergrößert der Bezug zur medizinischen Fragestellung sowohl für sie selbst als auch für die Schüler das Interesse am Physikunterricht. Vor- und Nachtest-Vergleiche ergaben eine Erhöhung des allgemeinen und des Fachinteresses in der Versuchsgruppe und eine Abnahme in der Kontrollgruppe. Eine Überlegenheit der Versuchsgruppe gegenüber der Kontrollgruppe bei der Interessantheit des Unterrichts konnte nicht nachgewiesen werden. In einigen Klassen wurden Leitungstests mit traditionellen Aufgaben geschrieben. Die Ergebnisse können so interpretiert werden, dass die Lernleistung der Versuchsgruppe in Physik nicht schlechter ausfiel als im traditionellen Unterricht. Allerdings haben die Schüler auch etwas in der Biologie und Medizin dazu gelernt. Der geschlechtsspezifische Vergleich zeigt, dass besonders die Mädchen bezüglich des Interesses von dem Konzept profitieren. Zusammenfassend sind die Ergebnisse so zu interpretieren, dass mit der Einbindung physikalischer Inhalte in biologisch-medizinische Kontexte das Interesse der Schülerinnen und Schüler wie angenommen gesteigert werden kann, ohne dass die Lernleistung darunter leidet.

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Primaerreaktion der Photosensoren Sensorrhodopsin I und II aus dem Archaebakterium Halobacterium salinarum und Sensorrhodopsin II aus Natronobacterium pharaonis sowie die Durchfuehrung vergleichender Messungen an dem zur selben Familie gehoerenden Membranprotein Bakteriorhodopsin. Spektral aufgel�oste Anreg-Abtast-Experimente im sichtbaren Spektralbereich ermoeglichten dabei einen umfassenden Einblick in die schnellsten Prozesse nach der Lichtanregung. Da Femtosekundenlasersysteme mit den erforderlichen Spezifikationen zu Beginn dieser Arbeit noch nicht kommerziell erhaeltlich waren, musste zur Realisierung der Experimente ein Ti:Saphir-Laseroszillator und ein CPA-Verstaerker entwickelt werden, der die benoetigten Lichtimpulse von ca. 100 fs Dauer und 1 mJ Ausgangsleistung bei hoher Stabilitaet lieferte. Erste Hinweise auf das Verhalten der elektronisch angeregten Zustaende der Sensorrhodopsine vermittelten die in einem modifizierten hochempfindlichen Ramanspektrometer aufgenomenen Fluoreszenzspektren. Dabei konnten erstmalig die Fluoreszenzquantenausbeuten der Sensorrhodopsine bestimmt werden und unter gewissen Annahmen auch die Lebensdauern ihrer elektronisch angeregten Zustaende abgeschaetzt werden. Die Anreg-Abtast-Experimente wurden mit einer Zeitau �osung von ca. 100 fs im Spektralbereich von etwa 400 nm bis 700 nm durchgef�uhrt, wobei Absorptionsaenderungen im Promillebereich aufgeloest werden konnten. Innerhalb der ersten 200 fs nach der Lichtanregung wurden bei allen untersuchten Proben schnelle, nichtexponentielle Reaktionskinetiken beobachtet, die durch eine stark gedaempfte Abwaertssbewegung des auf der Potential flaeche des elektronisch angeregten Zustands praeparierten Wellenpakets interpretiert werden koennen. Diese Ergebnisse stuetzen mehrdimensionale Modelle der Primaerreaktion, bei denen der Isomerisierung des Retinals eine schnelle Relaxation hochfrequenter Schwingungsmoden vorausgeht. Die Rueckreaktion in den elektronischen Grundzustand und die damit verbundene Isomerisierung des Retinals verlaeuft im Fall des Photosensors Sensorrhodopsin II trotz der unterschiedlichen Grundzustandsspektren sehr aehnlich zu Bakteriorhodopsin. Bei Sensorrhodopsin I wurde jedoch eine sehr langsame Rueckreaktion innerhalb einiger Pikosekunden beobachtet, die bei dem eingestellten pH-Wert vermutlich zumindest teilweise durch eine veraenderte elektrostatische Wechselwirkung mit dem Gegenion der Schiss- schen Base verursacht wird. Ueber den Vergleich mit Literaturdaten an Halorhodopsin und BR-Mutanten konnten Vermutungen, dass die Geschwindigkeit der Primaerreaktion stark von dieser Wechselwirkung beein usst wird, weiter bestaetigt werden. Aus den aufgenommenen Daten konnten weiterhin die erst lueckenhaft bekannten Photozyklen der Sensorrhodopsine um einige Schritte ergaenzt werden und die Absorptionsquerschnite der gefundenen Zwischenzust�ande berechnet werden. Schliesslich konnte ein qualitatives Modell fuer die Prim�arreaktion der Familie der Retinalproteine vorgeschlagen werden, das als Grundlage fuer zuk�unftige Arbeiten dienen kann.

In dieser Arbeit wurde die Oberflaechensegregation bei Legierungen mittels niederenergetischer Ionenstreuung (Low Energy Ion Scattering, LEIS) am Beispiel von CuAu untersucht. Waehrend der Arbeit wurden Methoden weiterentwickelt und insbesondere bei der Computersimulation neu entwickelt. Die Vorgehensweisen sind nicht auf das hier untersuchte System beschraenkt, sondern koennen mit leichten Modifikationen auf andere uebertragen werden. Ziel der Arbeit war es, die Au-Konzentration der ersten und zweiten Atomlage der (100)-Oberflaeche der binaeren Legierung CuAu in Abhaengigkeit von der Temperatur zu bestimmen. Cu1−xAux ist ein in Bezug auf die Volumenverhaeltnisse bestens untersuchtes klassisches System mit einem Ordnungs-Unordnungs-Phasenuebergang erster Ordnung. Zwei der drei wichtigsten stoechiometrischen Kompositionen, naemlich CuAu3 und insbesondere Cu3Au sind auch hinsichtlich ihres Verhaltens an der Oberflaeche eingehend untersucht. Fuer CuAu findet man wenig Information. Es zeigt sich, daß die Analyse der zweiten Atomlage von besonderem Interesse ist. Hier unterscheiden sich (mit Ausnahme von idealen Loesungen) monotone und oszillatorische Kompositionsprofile, was Rueckschluesse auf die Art der Nachbarwechselwirkungen zulaeßt (Legierungen mit Entmischungstendenz und ordnende Legierungen respektive). Die Auswertung der Ionenstreuintensitaeten aus der zweiten Lage ist jedoch durch Fokussierungsund Neutralisationseffekte kompliziert und konnte bisher nur modellartig ueber Parameterbestimmung behandelt werden. In dieser Arbeit wurde die quantitative Auswertung der Intensitaetsverteilungen aus LEIS-Experimenten erstmals nur mit Hilfe von Computersimulationen durchgefuehrt. Damit wurde die Au-Konzentration der zweiten Atomlage bestimmt. Die notwendigen Eichungen der Streupotentiale und der thermischen Vibrationsamplituden der Oberflaeche wurden an Eichproben der reinen Komponenten, Cu(100)und Au(110)(1×2), durchgef¨uhrt. Die kritische Groeße fuer die Potentiale ist die Abschirmlaenge. Sie wurde fuer 1.5 keV Na+-Streuung fuer Cu zu 77% und fuer Au zu 95% des Firsov’schen Wertes bestimmt. Diese Ergebnisse wurden durch Ausnutzung der Vielfachstreuung gewonnen und nicht, wie sonst ueblich, mit Hilfe von sehr aufwendig zu simulierenden Polarscans welche nur zu Kontrolle verwendet wurden. Die Variation der Vibrationsamplituden zeigte, daß sich fuer die Anpassung an LEIS-Resultate Uebereinstimmung mit theoretischen Literaturwerten ergibt. Gleichzeitig zeigte sich, daß zur Anpassung bestimmter experimentellen Intensitaeten eine Gitterrelaxation senkrecht zur Oberflaeche von etwa 7% einbezogen werden muß, was mit den Literaturwerten hinsichtlich der tetragonalen Einheitszelle von geordnetem CuAu in Einklang steht. Mit dem so gewonnenen Datensatz und der di- rekt aus der He+-Streuung bestimmten Au-Konzentration der ersten Atomlage konnte durch Vergleich von Simulationsrechnungen mit Realraumkartierungen der gemessenen Intensitaeten erstmals die Komposition der ersten und zweiten Atomlage von CuAu(100) bestimmt werden. Es zeigt sich Au-Segregation in Verbindung mit leicht gestoerter idealer Volumenterminierung. Oberhalb der Uebergangsemperatur des Phasenuebergangs im Volumen faellt die Au-Konzentration von urspruenglich 95% in der ersten Lage auf 75% bei 750C ab, gleichzeitig steigt sie in der zweiten Lage von 5% auf etwa 30% an. Eine rein statistische Gleichverteilung wird erkenbar bis nahe an den Schmelzpunkt nicht erreicht. Fuer die Segregationsenergie wurde ein Wert von -0.3 eV ermittelt. Die Ergebnisse werden mit Simulationsrechnungen von Terser verglichen und zeigen sehr gute Uebereinstimmung, was moeglicherweise mit der guten Beschreibbarkeit der Segregation von CuAu mit Paarwechselwirkungspotentialen zusammenhaengt. Ferner wurden die Computersimulationsmethoden verbessert: Der 3D-Code MARLOWE wurde hinsichtlich Simulationsleistung gesteigert: laengere Variablen und Erweiterung zur Beruecksichtigung unterschiedlicher Vibrationsamplituden fuer vertikale und parallele Auslenkungen. Es wurde eine neue Routine zur Analyse von Trajektoriendaten entwickelt. Dabei zeigt sich, daß die hier vorangetriebene Trajektorienaufgel¨oste Analyse von LEIS-Spektren n¨utzlich ist fuer: Die Interpretation von Spektren mit einem substantiellen Anteil an Vielfachstreubeitraegen, den Gebrauch von Neutralisationsmodellen in Streusimulationen, die Bestimmung von spezifischen Neutralisationsparametern und die Identifikation von Strukturrelevanten Streuprozessen (z.B. bei rekonstruierten Oberflaechen und geordneten Legierungen).

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit ist auf das extrem seltene Isotop 180Ta gerichtet. 180Ta ist eines der wenigen Isotope, dessen Nukleosynthese unklar ist. Als weitere Besonderheit liegt 180Ta in der Natur in einem isomeren Zustand vor. Eine wichtige Fragestellung dieser Arbeit ist, ob Zwischenzust¨ande im 180Ta existieren, die das Isomer mit dem unstabilen Grundzustand koppeln. Die Existenz solcher Zustaende kann Auswirkungen auf die Nukleosynthese von 180Ta in heißen Entstehungsszenarien wie dem s-Prozess haben, da ueber thermisch anregbare Zwischenzustaende das Isomer in den Grundzustand entvoelkert werden koennte. Durch Coulombanregung sollten moeglichst viele Zust¨ande im 180Ta entdeckt und auf ihr moegliches Wirken als Zwischenzustaende untersucht werden. Im ersten Teil der Arbeit wird ein zu diesem Zweck am Niels-Bohr-Institut in Risø, Daenemark, durchgefuehrtes Coulombanregungs-Experiment beschrieben, bei dem 180Ta erstmals gammaspektroskopiert werden konnte. Ein an 180Ta angereichertes und ein nicht angereichertes Tantaloxidtarget wurden mit 58Ni-Projektilen mit einer Energie von 225 MeV bestrahlt. Durch den Vergleich dieser Spektren konnten die auf dem Isomer im 180Ta aufbauende Rotationsbande sowie Zust¨ande, die wahrscheinlich zu zwei γ-Vibrationsbanden gehoeren, gefunden werden. In dem mitspektroskopierten Isotop 181Ta konnten neue Uebergaenge entdeckt werden, die den bisher unbekannten γ-Vibrationsbanden zugeschrieben werden. Aus den gemessenen γ-Intensitaeten wurden die Uebergangsmatrixelemente zwischen den gefundenen Zustaenden von 180Ta und 181Ta bestimmt. Der zweite Teil der Arbeit stellt ein am Muenchener Tandem-Beschleuniger durchgef uehrtes Aktivierungsexperiment zur Suche nach Zwischenzustaenden im 180Ta vor. In diesem Experiment wurden angereicherte und nicht angereicherte Tantaloxidtargets mit 36S- und 64Ni-Projektilen bei verschiedenen Energien bestrahlt und die gestreuten 180Ta-Kerne in Folien aufgefangen. Nach der Bestrahlung waren in den Folien Grundzustandszerf¨alle von 180Ta-Kernen nachweisbar. Das Experiment zeigt, dass Coulomb-anregbare Zwischenzustaende im 180Ta existieren, die das Isomer mit dem Grundzustand koppeln. Um die Multipolaritaet der Anregung und die Energie der Zwischenzustaende zu bestimmen, wurden fuer drei Kopplungsmodelle (K-verbotenes-, γ-Vibrations- und Oktupol-Vibrations-Kopplungsmodell) die ¨Ubereinstimmung mit den experimentellen Daten getestet. Im dritten Teil der Arbeit wird die Nukleosynthese von 180Ta im s-Prozess mit und ohne Beruecksichtigung von Zwischenzustaenden diskutiert. Die Rechnungen im Fall von Zwischenzustaenden zeigen, dass die Nukleosynthese von 180Ta durch den klassischen s-Prozess erklaert werden koennte.

Ziel der hier vorliegenden Arbeit war es, ein einzelnes in einer Ionenfalle gespeichertes Kalziumion als Meßsonde fuer das elektromagnetische Feld eines optischen Resonators zu verwenden. Bei einer Anregungswellenlaenge von 397 nm konnte das Feld mit einer Aufl¨osung von 60 nm unterhalb der Beugungsgrenze vermessen werden. Die untere Grenze der Aufloesung wird bei Verwendung eines gespeicherten Ions nur durch die Ausdehnung der Wellenfunktion des Ions im Schwingungsgrundzustand des Fallenpotentials bestimmt und kann bei Kuehlung des Ions in den Schwingungsgrundzustand weniger als 10 nm betragen. Die Aufloesungsgrenze von 60 nm war aufgrund der Doppler-Kuehlung durch die Restbewegung des Ions bestimmt. Aufloesungen unterhalb der Beugungsgrenze werden auch bei der Nahfeld- Mikroskopie erreicht, wobei die Aufl¨osung durch die Groeße der Meßsonde gegeben ist. Durch die Verwendung einzelner Molekuele als Meßsonde wurden Aufloesungen unter 100 nm erzielt. Gemessen wird die Intensitaetsverteilung des optischen Nahfeldes durch Detektion des Fluoreszenzlichtes, das vom Molek¨ul in Abhaengigkeit seiner Position emittiert wird. Um die Position des Molekuels relativ zur Probe kontrollieren zu koennen, muß das Molekuel in einer Kristallmatrix oder auf einem Substrat fixiert werden mit dem Nebeneffekt, daß das zu messende Feld veraendert wird. Diese unerwuenschte Beeinflussung der Meßgr¨oße durch die Messung wird bei der Vermessung des Feldes mit einem einzelnen Ion in einer Ionenfalle vermieden. Das zu diesem Zweck entwickelte System aus linearer Ionenfalle und optischem Resonator ermoeglicht es, die relative Position zwischen Ion und elektromagnetischem Feld auf Bruchteile der Wellenl¨ange des Feldes festzulegen und so die unverfaelschte Feldverteilung mit hoher Aufloesung dreidimensional zu vermessen. Die genaue relative Positionierung von Ion und Resonatormode impliziert dabei die praezise Kontrolle der Kopplung zwischen einem einzelnen Ion und dem elektromagnetischen Feld einer Resonatormode. Das hier vorgestellte System bietet demzufolge auch ideale Voraussetzungen, um Resonator-Quantenelektrodynamik mit einzelnen Ionen durchzufuehren. Experimente, die die Wechselwirkung einzelner Atome mit dem elektromagnetischen Feld einer Resonatormode untersuchen, verwenden bis heute Atome, die den Resonator durchqueren oder im Umkehrpunkt eines atomaren Springbrunnens fuer wenige Millisekunden im Resonatorfeld verweilen. Diese Messungen beinhalten also immer eine Mittelung ueber die tats¨achlich im Resonatorfeld befindlichen Atome und ihre unterschiedliche Kopplung an das Resonatorfeld. Die Atomstatistik zerstoert in diesen Experimenten im allgemeinen nichtklassische Effekte, die in einem idealen System aus einzelnem Atom und Resonatorfeld theoretisch er- wartet werden. Die hier beschriebene Anordnung erlaubt dagegen, wie die dreidimensionale Vermessung einer Feldmode zeigt, daß eine exakte Kontrolle ueber die Ion-Feld Kopplung bei nahezu unbegrenzter Speicherzeit des Ions im Resonatorfeld erreicht wird. Auf den erzielten Ergebnissen aufbauend koennen Experimente im Bereich der starken Ion-Feld Kopplung durchgefuehrt werden, bei denen die oben erwaehnten Nachteile bisheriger Experimente nicht mehr vorhanden sind. Erstmals eroeffnet sich die Meoglichkeit der deterministischen Erzeugung von Ein- Photonen-Pulsen und der Konstruktion eines Lasers, der mit nur einem einzigen Ion als aktivem Medium betrieben werden kann. Zur Lokalisierung eines einzelnen Kalziumions im Resonatorfeld, wurde eine lineare Falle vom Typ eines Quadrupol-Massenfilters konstruiert. Entlang ihrer Achse ist diese Falle in mehrere Speicherzonen unterteilt, in denen jeweils ein einzelnes Kalziumion oder auch eine Kalziumionenwolke gespeichert werden kann. In einer Speicherzone wird die Falle geladen, waehrend die Experimente in einer 2,5 cm entfernten Zone durchgefuehrt werden, die zwischen den Spiegeln eines Resonators liegt. Auf diese Weise wird eine Aufladung der Spiegel und eine Bedampfung der hochreflektierenden Beschichtung waehrend des Ladens verhindert. Durch die Anordnung mehrerer Gleichspannungselektroden entlang der Fallenachse koennen Ionenwolken mit hoher Effzienz von der Laderegion in den Bereich zwischen den Resonatorspiegeln verschoben werden. Das Anlegen von Spannungspulsen an die Speicherelektroden der Falle ermoeglicht es, die Ionenzahl auf die gewuenschte Anzahl zu reduzieren. Die K¨uhlung der Ionen erfolgt ¨uber Dopplerkuehlung auf dem 2S1/2 2P1/2 ¨Ubergang bei der Wellenl¨ange λ = 397 nm. Ein einzelnes Ion laeßt sich nun im Minimum des Fallenpotentials auf besser als λ/10 lokalisieren. Der optische Resonator besteht aus sphaerischen Spiegeln, die eine fuer 397 nm hochreflektierende dielektrische Beschichtung besitzen. Mit einer Finesse von 3000 und einem Spiegelabstand von 6 mm, lassen sich mit diesem Resonator Experimente im Bereich der schwachen Kopplung durchf¨uhren. Fuer die Durchfuehrung der zuvor erw¨ahnten Experimente im Bereich der starken Kopplung muß ein Resonator verwendet werden, dessen Spiegel bei 866 nm beschichtet sind und der eine Finesse von 30000 bis 300000 aufweist. Die Resonatorl¨ange wird aktiv stabilisiert, so daß die Transmission fuer einen eingekoppelten Laser bei 397 nm maximal wird. Auf diese Weise kann ein im Resonatorfeld befindliches Ion ueber die Resonatormode angeregt werden und das Fluoreszenzlicht des Ions, das den Resonator seitlich verlaeßt, kann zur Bestim- mung der Ion-Feld Wechselwirkung gemessen werden. Die Intensitaet der detektierten Fluoreszenz ist direkt proportional zur Intensit¨at des Resonatorfeldes, d. h. aus ihr kann die Intensitaet des optischen Feldes und die Position des Ions im Resonatorfeld bestimmt werden. Die Kopplung zwischen Ion und Resonatorfeld laeßt sich auf zwei Weisen einstellen. Zum einen kann das Ion durch das Anlegen einer Gleichspannung entlang der mikrobewegungsfreien Fallenachse verschoben werden. Die Verschiebung laeßt sich reproduzierbar einstellen, so daß die Lokalisierung des Ions auf besser als λ/10 waehrend des Verschiebevorgangs erhalten bleibt. Zum anderen ist der Resonator auf einem Piezotisch positioniert, so daß bei raeumlich fest lokalisiertem Ion jeder Punkt der Intensitaetsverteilung im Resonator mit dem Ort des Ions zum Ueberlapp gebracht werden kann. Eine Positionierung des Resonators relativ zum Ion ist noetig, da bei Ionenverschiebungen senkrecht zur Fallenachse die Lokalisierung des Ions auf besser als λ/10 aufgrund der Mikrobewegung im Fallenpotential nicht mehr erreicht werden kann. Die experimentelle Realisierung einer vollstaendigen Kontrolle ¨uber die Ion-Feld Kopplung wird eindrucksvoll demonstriert durch die Verwendung eines einzelnen Ions als nanoskopische Meßsonde zur Vermessung der Intensitaetsverteilung verschiedener Resonatormoden. Sowohl die Stehwellenverteilung entlang der optischen Achse als auch die transversale Verteilung einiger TEM Moden konnte mit hoher Aufloesung vermessen werden. Neben der Kontrolle der Kopplung eines einzelnen Ions ist es auch moeglich, einen Ionenkristall entlang der Achse durch die Resonatormode zu schieben. Hierzu wurde ein Zwei-Ionen-Kristall transversal durch eine TEM01 Mode geschoben. Die gemessene Flureszenzrate als Funktion der Schwerpunktsposition des Ionenkristalls zeigt, daß beide Ionen in je einem der Maxima der TEM01 Mode gleichzeitig lokalisiert werden koennen. Diese Kombination eroeffnet Anwendungen im Bereich der Quanteninformation. Realisierbar ist die Verschraenkung von Ionen, die Uebertragung eines Quantenzustandes von einem Ion auf das andere und die Ausfuehrung eines 2-Bit-Quanten-Gatters. Darueber hinaus ist es aufgrund der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse vorstellbar, eine Ionenkette Ion fuer Ion durch die TEM00 Mode zu schieben und so Quantenzustaende von einem Ion auf ein anderes zu ¨ubertragen. Ebenso ist eine Uebertragung von Quantenzustaenden ueber große Entfernungen, d. h. von einem Resonator zu einem anderen, in den Bereich des Moeglichen gerueckt.

Die sprunghafte Entwicklung in der Femtosekundenlasertechnologie Anfang der 90er Jahre ermöglicht es, laserphysikalische Experimente in den verschiedensten Bereichen der Naturwissenschaften bei Pulsdauern von einigen Femtosekunden und elektrischen Feldstärken in der Größenordnung inneratomarer Felder durchzuführen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die drei wichtigsten Prozesse im Bereich der Wechselwirkung von Atomen mit starken Laserfeldern untersucht: Im Fall der Above-threshold Ionisation (ATI) absorbiert ein Elektron aus dem Lichtfeld mehr Photonen, als zu seiner Ionisation notwendig sind. Die Überschussenergie kann mit einem Flugzeitspektrometer in Form der kinetischen Energie des Photoelektrons gemessen werden. Im ATI-Spektrum wird die Zahl der gemessenen Photoelektronen als Funktion ihrer Energie aufgetragen: Es ergibt sich eine Serie von Maxima im Abstand der Photonenenergie. Diese fallen mit steigender Photoelektronenenergie stark ab und entsprechen der Anzahl der jenseits der Ionisationsschwelle absorbierten Photonen. Die Form der Spektren gibt detaillierte Hinweise auf Einzelheiten des Ionisationsvorgangs. Zum Beispiel misst man für lineare Polarisation des eingestrahlten Lichts eine plateauartige Struktur, die durch einen Rückstreuprozess des Elektrons am Ionenrumpf hervorgerufen wird: Die Einhüllende des ATI-Spektrums folgt zunächst dem störungstheoretisch erwarteten starken Abfall für niedrige Elektronenenergien. Sie geht dann in das ATIPlateau über, bis sie am sogenannten Cutoff endgültig stark abfällt. Neben dem Ionisationsprozess beobachtet man bei der Wechselwirkung von Atomen mit intensiven Laserfeldern auch die Erzeugung hoher Harmonischer (high harmonic generation, HHG). Dabei emittieren die Atome Strahlung mit Photonenenergien, die einem Vielfachen der Energie der eingestrahlten Photonen entsprechen. Aufgrund der Inversionssymmetrie werden im Gas nur die Harmonischen ungerader Ordnung erzeugt. HHG kann durch Elektronen erklärt werden, die - statt wie bei ATI am Ionenrumpf zu streuen, rekombinieren und auf diese Weise die aus dem Laserfeld aufgenommene Energie in Form von hochenergetischer Strahlung abgeben. Auch im Spektrum der Harmonischen fand man ein Plateau, das sich bis in den Bereich weicher Röntgenstrahlung erstrecken kann. HHG erlaubt es damit, vergleichsweise effizient kohärente kurzwellige Strahlung zu erzeugen, die vielversprechende Anwendungen ermöglicht, zum Beispiel in der Biologie (Mikroskopie). Als dritte Möglichkeit kann das Elektron seine während des Ionisationsprozesses gewonnene Energie dazu benutzen, ein zweites Elektron aus dem Atom zu lösen. Dies wird nicht-sequentielle Doppelionisation (NSDI) genannt und beinhaltet hochinteressante korrelierte Ionisationsdynamik. Für die Experimente dieser Arbeit wurde ein hochrepetitives (100kHz) Lasersystem aufgebaut, das bei einer Pulsenergie von 6µJ und einer Pulsdauer von 50fs Spitzenintensitäten von 2 · 1014W/cm2 erzeugt. Für Messungen in diesem Intensitätsbereich wurde ein kombiniertes Elektronen- und Ionen-Flugzeitspektrometer sowie ein Vakuum-UVSpektrometer konstruiert. Ersteres wurde im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut und erlaubt die gleichzeitige Messung von Elektronen und Ionen. Das XUV-Spektrometer wurde im Rahmen dieser Arbeit umgebaut und erstmals zur Messung hoher Harmonischer eingesetzt. Bei einer Repetitionsrate von 100kHz sind sehr detaillierte Analysen des Ionisationsprozesses möglich. So wurde eine vergleichende Studie zum Einfluß der Elliptizität des einfallenden Lichtfeldes auf die drei oben genannten Effekte durchgeführt. Elliptisch polarisiertes Licht beschleunigt das Elektron in zwei Raumrichtungen. Mit zunehmender Elliptizität verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron während des Ionisationsprozesses zum Ionenrumpf zurückkehrt und damit auch die Effizienz von ATI, HHG und NSDI. Ihre Abhängigkeit von der Elliptizität wurde unter nahezu identischen experimentellen Bedingungen gemessen. Die Messung bestätigt die gemeinsame Wurzel der drei Prozesse. Der Einfluß der Polarisation auf die Bahn des Elektrons kann in einem einfachen klassischen Modell beschrieben werden, das die gemessene Abhängigkeit näherungsweise reproduziert. Ein Durchbruch in der theoretischen Beschreibung von Prozessen in starken Feldern gelang Lewenstein et. al. mit vom Feynman’schen Pfadintegral abgeleiteten Gleichungen. Der klassische Limes dieser Theorie ist das oben erwähnte klassische Modell. Beide erlauben eine intuitive Deutung der physikalischen Vorgänge mit Hilfe von räumlichen Trajektorien bzw. Quantentrajektorien, die das Elektron aufgrund der Wechselwirkung mit dem Feld nehmen kann. Im ATI-Experiment ist es uns dabei gelungen, unter bestimmten Bedingungen ein ATI-Spektrum in die Beiträge von einzelnen Paaren von Quantentrajektorien zu zerlegen. Führen mehrere Quantentrajektorien zum gleichen Endzustand des Elektrons, so können sie miteinander interferieren. Die Interferenz von Quantentrajektorien beeinflusst die Form der ATI-Spektren auf verschiedenste Art. Dies zeigt zum einen die Messung der Interferenz niederenergetischer Elektronen und rückgestreuter hochenergetischer Elektronen. Eine Voraussetzung für ihre Interferenz mit messbarem Kontrast ist eine vergleichbare Amplitude in den entsprechenden Termen der Wellenfunktion. Im Plateau-Bereich der Photoelektronenspektren ist dies für kleine elliptische Polarisation des Lichts erfüllt, da dann, wie schon erwähnt, der Rückstreuvorgang abgeschwächt wird. Die Interferenz der beiden Beiträge zeigt sich in der Winkelverteilung der Photoelektronen dadurch, dass sich das ATI-Plateau aufgrund der Interferenz aufspaltet. Ein zweites Beispiel für den Einfluss von Interferenzeffekten betrifft die Form der Einhüllenden eines ATI-Spektrums. Diese wird durch resonanzartig auftretende Effekte bei bestimmten Intensitäten dominiert. Die Dynamik in der Ausbildung des ATI-Plateaus wurde durch die detaillierte Messung der Intensitätsabhängigkeit der ATI-Spektren untersucht. Dazu wurde in kleinen Schritten die Intensität erhöht und die dazugehörigen Spektren aufgenommen. Die resonanzartigen Effekte treten gerade bei solchen Intensitäten auf, bei denen die Theorie eine große Anzahl von Quantentrajektorien braucht, um das Spektrum zu approximieren. Daraus kann man auf konstruktive Interferenz der beteiligten Trajektorien schließen. Ein völlig neuer Bereich der Wechselwirkung ultrakurzer Pulse mit Atomen eröffnet sich bei Pulslängen um oder kürzer als 5fs. Solche Pulse bestehen aus weniger als zwei optischen Zyklen (FWHM). Dadurch wird die Phase zwischen der Einhüllenden des Pulses und seiner Trägerwelle von Bedeutung (absolute Phase). Da alle Effekte, die durch intensive Laserfelder hervorgerufen werden, vom Verlauf des elektrischen Feldes des Laserpulses abhängen, hängen sie auch von der absoluten Phase ab. Dies ist von entscheidender Bedeutung für verschiedene moderne Forschungsbereiche wie die Erzeugung von Attosekundenpulsen, die kohärente Steuerung atomarer und molekularer Prozesse, die Laserplasmaphysik aber auch die Entwicklung optischer Frequenzstandards. An der Politecnico di Milano haben wir mit einem 5fs-Lasersystem erstmals Effekte der absoluten Phase nachweisen können. Dies wurde durch eine Korrelationsanalyse der in entgegengesetzte Raumrichtungen emittierten Photoelektronen erreicht.