Forschung im HLRN-Verbund 2011

186Kleine Teilchen in großer AufregungNichtlineare Licht-Materie-Dynamik in finiten Vielteilchensystemen: Cluster inintensiven IR-, VUV-, und XUV-LaserfeldernTh. Fennel, J. Köhn, M. Arbeiter, Ch. Peltz,Institut für Physik, Universität RostockKurzgefasst• Nanopartikel und Cluster - winzige Aggregatebestehend aus einigen zehn bis zehntausendAtomen - sind ideale Modellsysteme für dieUntersuchung der nichtlinearen Wechselwirkungvon intensiven Laserfeldern mit Vielteilchensystemen.Infolge der Anregung entsteht lokal einheißes Gemisch aus Elektronen und Ionen (Nanoplasma),dessen Entwicklung durch die Variationvon Form und Farbe der Laserpulse abgefragtoder sogar gezielt gesteuert werden kann.• Die Reaktion von Nanopartikeln auf intensive Laserfelderist stark materialabhängig. So müssenNanoplasmen in Clustern aus Isolatormaterialienerst durch laserinduzierte Ionisationsprozesseerzeugt werden, während sie in Metallclusternbereits vor der Anregung als kalte Fermigasevorliegen. Dadurch lassen sich beispielsweiseIonisationsmechanismen grundverschiedenerphysikalischer Systeme analysieren.• Zusätzlich ändert sich die Systemantwort fundamental,wenn die Größenordnung der Laserwellenlängevariiert wird. Während im sichtbarenund infraroten Wellenlängenbereich kollektiveElektronenanregungen eine maßgeblicheRolle spielen, dominieren bei sehr kurzen Wellenlängenim extrem ultravioletten bis weichenRöntgenbereich vor allem atomare Ionisationsprozessedie Licht-Materie-Wechselwirkung.Intensive Laseranregung von atomaren Clusternund Nanopartikeln bietet vielfältige Möglichkeitenzur Erforschung ultraschneller Vielteilchendynamik.So liefert die Analyse des zeitlichen Zusammenspielsvon Ionisation, Laserheizung und Zerfallder Nanoteilchen als Funktion der Laserintensitätwichtige Hinweise auf limitierende Startprozessefür die Plasmabildung und resonanteVerstärkungseffekte [1]. Einblicke in die zu Grundeliegende Dynamik sind sowohl für das fundamentaleVerständnis der nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkung als auch für technische Anwendungen(z.B. Teilchen- und Strahlungsquellen, Lasermaterialbearbeitung)wichtig.Gegenstand unseres Projektes sind die mikroskopischeAnalyse der durch Laseranregunggetriebenen Elektronen- und Ionendynamik inMetall- und Edelgasclustern und die Untersuchungder Entwicklung von Kopplungsmechanismen alsFunktion der Photonenenergie vom nah-infraroten(NIR) bis hin zum vakuum-ultravioletten Spektralbereich(VUV bis XUV). Insbesondere steht hierbeidas Regime stark nichtlinearer Anregung imMittelpunkt, für das eine störungstheoretische Behandlungder Licht-Materie-Wechselwirkung nichtmehr zulässig ist. Hier können die Simulationsrechnungenihre Stärke ausspielen, im Rahmengeeigneter Nährungen eine explizite, nichtperturbativeBeschreibung der mikroskopischen Dynamikzu liefern. In umserem Projekt werden Methodender zeitabhängigen Dichtefunktionaltheoriesowie semiklassische Molekulardynamik (Vlasov-LDA mit Stößen bzw. MD) eingesetzt. Im Fokusder Untersuchungen stehen die aus kollektivenund Mikrofeldeffekten resultierenden Einflüsse aufIonisations-, Heizungs- und Beschleunigungsprozesse,deren Signaturen in den Fragmentspektren,sowie die gezielte Steuerung dieser Prozesse mitamplituden- und phasengeformten Laserpulsen.Im Folgenden soll exemplarisch ein Aspektvorgestellt werden, der insbesondere für neuartigeAnwendungen kurzwelliger, intensiver Laserstrahlungvon großer Bedeutung ist (z.B.die Einzelschuss-Strukturuntersuchung von Biomolekülen).Dazu wird das Ionisationsverhaltenund die Auswirkung von Plasmaeffekten auf dieClusteranregung mit intensiven XUV-Laserpulsenbetrachtet, die heutzutage mit Freie-Elektronen-Lasern experimentell realisiert werden können.In den Simulationen wurde die Ionisations- undHeizungsdynamik von Argonclustern in intensivenFemtosekunden-Laserpulsen bei einer Wellenlängevon 32 nm intensitätsabhängig untersucht[2]. Die Analyse der Elektronenemissionbestätigt das in Experimenten beobachtetePhänomen der sogenannten ”multistep-ionization“,bei der die sequentielle Photoionisation innerhalbdes sich aufbauenden Clusterpotentials zueinem plateauartigen Energiespektrum führt. Sobalddie zunehmende Tiefe des Coulombpotentialsdes Clusters die direkte Photoemission unterdrückt,entsteht ein Nanoplasma, das zu einemzusätzlichen thermischen Ionisationsbeitrag führt,siehe Abb. 1. Die auf dem HLRN durchgeführtenRechnungen zeigen, dass dabei ein charakteristischerHeizungsmechanismus wirksam wird, denwir als ”ionization heating“ bezeichnen. Hierbeiwird die Energieabsorption nicht wie bei Wellenlängenüber 100 nm durch lasergetriebenePhysik