Physik starker Laserfelder

Teil (A) des Projekts handelt von der Wechselwirkung von Elektronen und Atomen (einfacher Materie) mit starken elektromagnetischen Feldern. Die Auswirkung solcher Felder auf zusammengesetzte Materie (Moleküle, Festkörper, Plasmen) wird in Teil (B) untersucht. Die heutige Lasertechnologie ermöglicht es, elektromagnetische Felder, stärker als innerhalb eines Atoms, herzustellen. "Licht und Materie" ist deshalb das dem Thema des Projekts übergeordnete Schlagwort. Obwohl das gewählte Thema somit zu einem der ältesten Zweige der theoretischen Physik zählt, sind viele Fragen, die sowohl für die Grundlagenforschung also auch für die Anwendung von großer Bedeutung sind, bisher unbeantwortet geblieben. A. Atome und Elektronen in relativistischen elektromagnetischen Feldern Eine numerische Lösung der dreidimensionalen Diracgleichung, welche die Wechselwirkung von Atomen mit starken Laserpulsen beschreibt, ist selbst mit den schnellsten Parallelrechnern unmöglich. Das liegt vor allem an der mangelnden Effizienz der vorhandenen Algorithmen. Zur Lösung der Diracgleichung werden wir deshalb sowohl analytische Werkzeuge als auch verbesserte numerische Algorithmen entwickeln. Dies wird zum ersten Mal die genaue Berechnung relativistischer Ionisationsraten und der Bewegung des Elektrons nach relativistischer Feldionisation ermöglichen. Mit Hilfe der Ionisationsdaten ist eine verbesserte Beschreibung der relativistischen Wechselwirkung zwischen Laserfeldern und Plasmen möglich, die z. B. in der Kern- und Astrophysik eine wichtige Rolle spielt. Wir werden in Teil (A) außerdem den Einfluß der Polarisation des Vakuums auf die Lichtausbreitung und den Einfluß der Strahlungsrückwirkung auf die Bewegung eines freien Elektrons in starken Laserfeldern untersuchen. Während seiner Bewegung emittiert das Elektron Strahlung, die sich wiederum auf seine Bewegung auswirkt. Die quantenmechanische Beschreibung der Strahlungsrückwirkung ist ein schwieriges Problem, das sich einer vollständig befriedigenden Lösung bisher entzogen hat. B. Zusammengesetzte Materie in elektromagnetischen Feldern Bisher wurde die Wechselwirkung zwischen starken Strahlungsfeldern und Materie in der sogenannten Einzelelektronnäherung (SAEA) beschrieben: Nur das außerste Elektron eines Atoms spürt das Laserfeld. Für viele interessanten Phänomene ist die SAEA aber nicht zulässig. Falls z. B. durch den Laser Materie polarisiert wir, ändert sich die Ionisationsdynamik; Bei kurzwelligem Licht spielt die Wechselwirkung zwischen mehreren Elektronen eine entscheidende Rolle. Experimentell gibt es viele Hinweise auf derartige Mehrteilcheneffekte. Die Schwierigkeiten bei der theoretischen Beschreibung solcher Erscheinungen hängen damit zusammen, daß es sich bei der Wechselwirkung zusammengesetzter Materie mit starken elektromagnetischen Feldern um zwei der kompliziertesten Zweige der theoretischen Physik handelt: Mehrteilchentheorie und nichtlineare Phänomene. In Teil (B) des Projekts werden wir uns mit der Entwicklung einer Mehrteilchentheorie für Materie in starken elektromagnetischen Feldern beschäftigen.