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Was ist ein Multiphotonen-Laser?

Vorsicht Laser! Im ELBE-Komplex des HZDR in Rossendorf herrschen strenge Sicherheitsbestimmungen. Foto: Heiko Weckbrodt, "Creative Commons"-Lizenz 3.0 (freie Nutzung unter Namensangabe)

Foto: Heiko Weckbrodt, „Creative Commons“-Lizenz 3.0 (freie Nutzung unter Namensangabe)

Atome sollen zwei bis acht Lichtteilchen auf einmal abbekommen

Ein Multi-Photonen-Laser sendet Licht so auf eine Probe, dass zwei bis acht Photonen (Lichtteilchen) auf einmal die einzelnen Moleküle beziehungsweise Atome treffen. Dafür müssen die Laser sehr stark und genau justiert sein.

Energiestoß für Atome mit großer Bandlücke

Der Beschuss mit einer ganzen „Photonen-Gruppe“ ist nur für besondere Materialien nötig: Bestimmte Halbleiter zum Beispiel haben Atome, in deren Hülle die äußeren Elektronen eine sogenannte „große Bandlücke haben“.

Nicht jede Bahn ist okay – im Atom wie im Sonnensystem

Um zu verstehen, was damit gemeint ist, kann man sich ein Atom wie unser Sonnensystem vorstellen: Die Sonne in der Mitte ist der übermächtige Atomkern, um den alles kreist. Planeten wie unsere Erde, der Mars oder der Jupiter können aber die Sonne nicht in jedem beliebigen Abstand umwandern, sondern nur in ganz bestimmten Bahnen. Diese Gesetzmäßigkeit hatten die deutschen Astronomen Titius und Bode bereits im 18. Jahrhundert erkannt.

Abstand zwischen äußersten Bahnen = Bandlücke

Auch Elektronen können sich nur in bestimmter Anzahl und bestimmten Energie-Nivaus (bzw. Abständen) zum Atomkern befinden. Die Lücke zwischen den beiden äußersten Bahnen, in denen sich noch Elektronen befinden (Valenzband und Leitungsband genannt), nennt man Bandlücke. Und diese energetisch bedeutsame Lücke kann je nach Atom-Art auch sehr groß sein.

Um solch eine große Bandlücke zu überwinden, braucht ein energiearmes Elektron auf einer der unteren Bahnen in der Atomhülle recht viel Energie von außen, sonst kann es nicht auf die nächsthöhere Bahn springen. Dafür genügt dann eben nicht ein einzelnes Photon, sondern es müssen mehrere Lichtteilchen auf einmal das Elektron anregen. Wenn es dann erschöpft von der höheren Bahn auf die niedrigere zurückfällt, sendet es umso energiereichere Photonen aus. Und eben darauf basiert ein Multi-Photonen-Laser. hw

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