Licht ist eine Welle. Das ist spätesten seit den berühmten Experimenten von Heinrich Hertz Ende des 19. Jahrhunderts bekannt. Dabei verhält es sich ebenso wie Radiowellen oder Mikrowellen, die ebenfalls aus elektrischen und magnetischen Feldern bestehen. Der einzige Unterschied ist die Anzahl der Schwingungen dieser Felder pro Sekunde – die Frequenz also.

Um ein wenig Gefühl für die eigentlich unvorstellbare Zahlenwelt zu bekommen, hier ein paar Beispiele: In Radio- und Mikrowellen schwingen die Felder hunderttausend- bis billionenfach pro Sekunde. Diese Feldänderung lassen sich noch durch Wandlung in elektrischen Strom und dessen Darstellung mit speziellen elektronischen Geräten, so genannten Oszilloskopen, messen. Doch das Feld von Lichtwellen schwingt im Gegensatz dazu noch rund tausendmal schnell als die energiereichste Mikrowellenstrahlung: um die 10¹⁵ Mal pro Sekunde, sodass während einer Schwingungsperiode nur eine Femtosekunde verstreicht. Das jedoch ist gut einen Faktor 10 000 Mal schneller, als das, was sich mit heute verfügbaren Geräten messen lässt. Um also die Änderung des Lichtfeldes darstellen zu können, bedarf es eines Oszilloskops mit einer Auflösung von nur wenigen hundert Attosekunden – wobei eine Attosekunde eine Tausendstel Femtosekunde ist.

Eine solche Messanordnung hat nun Eleftherios Goulielmakis von der Universität Wien zusammen mit Kollegen der Universität Bielefeld und des Max-Planck-Institutes für Quantenoptik verwirklicht. Möglich wurde dies durch den Einsatz eines nur 250 Attosekunden langen Pulses weicher Röntgenstrahlung, den das gleiche Forscherteam erst wenige Monate zuvor erstmals reproduzierbar erzeugt hatte. Dieser extrem kurze und hochenergetische Röntgenpuls schlägt Elektronen aus Atomen heraus, mit deren Hilfe die elektrische Feldstärke eines aus nur wenigen Schwingungszyklen bestehenden roten Laserlichtes mit einer Wellenlänge von 750 Nanometern gemessen wird.

Hierbei bremst oder beschleunigt das elektrische Feld des roten Lichtes die Elektronen, die durch den Röntgenpuls mit einer Zeit-Genauigkeit von 100 Attosekunden gegenüber der Lichtwelle freigesetzt werden. Indem die Forscher die Änderung der Energie der Elektronen als Funktion der Zeitdifferenz zwischen dem Röntgenpuls und der Laser-Lichtwelle maßen, konnten sie deutlich das Anwachsen und Abklingen des Pulses und dessen Oszillationen mit einer Periode von 2,5 Femtosekunden, entsprechend der Wellenlänge von 750 Nanometer, bestimmen.

Mehr noch: Aus der gemessenen Energieänderung ließ sich auch direkt die Stärke und Richtung des elektrischen Feldes bestimmen. Damit erlaubt die neue Technik die genaue Vermessung der Feldstärke von Lichtpulsen. Ferner ergibt sich auch die Möglichkeit, ultrakurze Lichtblitze mit nahezu beliebiger Wellenform reproduzierbar zu erzeugen. Für solche synthetisierten Lichtwellen sind durchaus einige interessante Anwendungen in Aussicht, wie die gezielte Steuerung atomarer und molekularer Prozesse, die Entwicklung molekularer Elektronik oder von Röntgenlaserquellen. Vieles davon ist noch Zukunftsmusik, aber das war die Beobachtung der Schwingung des elektrischen Feldes einer Lichtwelle bisher schließlich auch.