ExtremeField: Licht mit unerreichter Intensität – ERC Synergy Grant für Helmholtz-Institut Jena von GSI
12.11.2026 |
Forschende aus Deutschland, dem Vereinigten Königreich und Schweden wollen mit ihrem Projekt „ExtremeField“ in physikalische Grenzbereiche vorstoßen, indem sie Laserlicht auf eine neue Weise fokussieren, um damit Intensitäten an der Grenze des theoretisch Möglichen zu erzeugen – eine Million Mal intensiver als der derzeitige Stand der Technik. Das Projekt wird mit einem ERC Synergy Grant mit insgesamt 13,4 Millionen Euro gefördert. Professor Matt Zepf vom Helmholtz-Institut Jena, einer Außenstelle von GSI, koordiniert das Projekt.
Trifft ein extrem starker, ultrakurzer Laserpuls auf eine Glasoberfläche, so verwandelt sich diese in ein Plasma – in einen Materiezustand, in dem Atome ionisiert werden: Viele Hüllenelektronen lösen sich von den Atomkernen und bewegen sich frei. Die Elektronen an der Plasmaoberfläche schwingen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und wirken dabei wie ein bewegter Spiegel. Wird nun an diesem Spiegel Licht zurückgeworfen, so enthält das reflektiert Licht nicht nur die ursprüngliche Farbe des eingestrahlten Laserlichts, sondern einen ganzen Kamm von Vielfachen seiner Frequenz – sogenannte hohe Harmonische. Diese Frequenzen reichen bis in den extremen Ultraviolett- und weichen Röntgenbereich.
Weil alle Anteile des Lichts im gleichen Takt schwingen, verdichten sie sich zu Lichtblitzen von unvorstellbar kurzer Dauer im Bereich von Attosekunden – einem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Wölbt der Lichtdruck die Plasmaoberfläche darüber hinaus zu einem winzigen Hohlspiegel, werden alle Harmonischen in einen Punkt gebündelt, der viel kleiner ist als die Wellenlänge des ursprünglichen Laserlichts.
Bei der Grundidee dieser „kohärenten Fokussierung von Harmonischen“ wird die Energie des Laserpulses gleichzeitig in Raum und Zeit fokussiert. Berechnungen sagen voraus, dass sich mit dieser Methode die Intensität des Lichtpulses um das Millionenfache von dem steigern lässt, was heutige Laser im Fokus erreichen. Solche Intensitäten liegen nahe der sogenannten Schwinger-Grenze, die nach dem US-amerikanischen Physiker Julian Seymour Schwinger (Physik-Nobelpreisträger von 1965) benannt ist. Die Quantenelektrodynamik sagt bei solchen Feldstärken voraus, dass im Vakuum spontan Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen und dass Lichtteilchen an anderen Lichtteilchen gestreut werden können.
Diese Vorhersagen konnten bislang experimentell kaum überprüft werden, weil es nicht möglich war, so hohe elektrische Felder zu erzeugen. „Mit ExtremeField soll es nun erstmals gelingen, experimentelle Bedingungen nahe der Schwinger-Grenze zu schaffen, an denen Quanteneffekte des Vakuums gemessen werden können,“ erläutert Professor Matt Zepf vom Helmholtz-Institut Jena, einer Außenstelle des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. Er koordiniert das Projekt. „Um das zu erreichen, benötigen wir präzise gesteuerte Plasmabedingungen. Geplant sind Experimente an unserem Jenaer Hochleistungslaser JeTi, dem Taranis-Laser in Belfast und LWS in Umeå. LWS bildet auch die Basis für eine maßgeschneiderte Laserneuentwicklung. um die maximale Performance zu ermöglichen.“
Drei weitere Projektpartner sind beteiligt: An der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf entwickelt das Team um Professor Alexander Pukhov im Bereich der Starkfeld-Laser-Plasma-Physik Computermodelle und betreibt diese auf Hochleistungsrechnern in Düsseldorf und Jülich. Sie sollen die Entwicklung des Plasmas vom ersten Aufbrechen des Materials bis zur Erzeugung der Harmonischen beschreiben. Die Modelle gleichen die theoretischen Physiker laufend mit den Messungen der experimentell arbeitenden Partner ab. „Die Simulationen sagen den Experimentatoren, wo sie suchen müssen, und die Experimente zeigen uns, wo unsere Modelle noch nicht stimmen“, so Pukhov. „Diesen Kreislauf zu schließen, ist der Kern des Projekts.“
An der Queen’s University Belfast in Nordirland wird Professor Brendan Dromey untersuchen, wie die Glasoberfläche zu Beginn des Laserpulses in das Plasma übergeht. Professor László Veisz von der schwedischen Universität Umeå baut den neuen Laser „SUPER“ auf, dessen Pulse kürzer als eine halbe Lichtschwingung sein werden.
Professor Thomas Nilsson, Wissenschaftlicher Geschäftsführer von GSI und FAIR, gratuliert: „Der ERC Synergy Grant zeigt die herausragende Qualität der Forschung, die am Helmholtz-Institut Jena geleistet wird, und unterstreicht gleichzeitig die Wichtigkeit der internationalen Zusammenarbeit. Gemeinsam mit unseren Partnern stoßen wir in Dimensionen der Laserphysik vor, in die zuvor noch niemand vorgedrungen ist, und verschieben die Grenzen des physikalisch Machbaren ein Stück weiter.“ (HHU/CP)
