Physiker sehen Quanten beim Springen zu

9. November 2016, 10:29
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Österreichischen und deutschen Forschern gelang die bisher genauste zeitliche Vermessung von Quantensprüngen

Wien – Absorbiert ein Atom ein Lichtteilchen und wechselt damit in einen höheren Energiezustand, hat es einen "Quantensprung" absolviert. Das passiert quasi von einem auf den anderen Moment. Mithilfe ultrakurzer Laserpulse haben es Forscher der Technischen Universität (TU) Wien mit deutschen Kollegen nun geschafft, Quantenteilchen bei diesem Vorgang zuzusehen, wie sie im Fachblatt "Nature Physics" berichten.

Die Idee zu dem am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching durchgeführten Experiment hatte ein Wissenschafterteam um Joachim Burgdörfer von der TU Wien. Als Ausgangspunkt fungiert dabei ein Heliumatom mit zwei Elektronen. Beschießt man ein solches mit einem energiereichen Laserpuls, kann eines der Elektronen von dem Puls fortgerissen und aus dem Atom geschleudert werden. Das läuft innerhalb von Attosekunden ab – also im Bereich von Milliardsteln einer Milliardstelsekunde.

Zwei Prozesse

Weil die beiden ursprünglichen Elektronen aber miteinander auf quantenphysikalischer Ebene verbunden oder korreliert sind, kann der Beschuss auch auf das im Atom verbleibende Elektron Einfluss haben. "Wenn das eine Elektron aus dem Atom gerissen wird, kann es passieren, dass ein Teil der Laser-Energie auf das zweite Elektron übertragen wird", sagt TU-Forscher Stefan Nagele. "Es bleibt zwar im Atom gebunden, wird aber in einen höheren Energiezustand angehoben."

Es können also zwei unterscheidbare Prozesse ablaufen: Einmal schneidet das verbleibende Atom bei der durch den Laserpuls einschießenden Energie mit, ein andermal bleibt es im Zustand minimaler Energie. Dass diese beiden Spielarten nicht genau gleich kurz dauern, konnten die Wissenschafter nun mit einem ausgeklügelten Versuchsaufbau mit zwei verschiedenen Lasern nachweisen.

Unerreicht exakte Messung

Sie kamen zu dem Schluss, dass der Prozess etwas schneller abläuft, wenn das verbleibende Elektron einen Teil der Energie abbekommt. Ist das der Fall, läuft der Vorgang um ungefähr sechs Attosekunden rascher ab. Auffallend sei zudem, wie gut die theoretischen Berechnungen und die nunmehrigen Messungen zusammenpassen: "Die Genauigkeit des Experiments liegt bei weniger als einer Attosekunde, das ist die genaueste Zeitmessung für einen Quantensprung, die es bisher je gab", so Renate Pazourek vom TU-Institut für Theoretische Physik.

Dass es jetzt möglich ist, quasi den Finger auf kürzeste zeitliche Abläufe zu legen, die vor Jahrzehnten noch einfach als "plötzlich" angesehen wurden, helfe nicht nur dabei, die grundlegenden Naturgesetze besser zu verstehen, sondern eröffne auch neue Ansätze, Materie zu manipulieren. (APA, 9. 11. 2016)

  • Ein Laserstrahl beeinflusst den Zustand der Elektronen in einem Helium-Atom.
    foto: tu wien

    Ein Laserstrahl beeinflusst den Zustand der Elektronen in einem Helium-Atom.

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