Physiker blockieren Fluchtweg für Elektronen aus Helium-Atomen

13. November 2016, 18:06
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Quantenüberlagerung kann dadurch exakt beobachtet werden

Wien – Beschießt man ein Heliumatom mit einem Laserpuls, können sich die beiden Elektronen jeweils auf zwei Arten aus dem Atom verabschieden. Dabei erlaubt die Quantenphysik dem Elektron, beide Wege gleichzeitig zu nehmen. Mit der gezielten Blockade eines der Fluchtwege konnten Physiker diese Quantenüberlagerung jetzt exakt beobachten, wie sie im Fachblatt "Science" berichten.

Richtet man einen Laserpuls auf ein Helium-Atom, kann ihm dadurch eines seiner beiden Elektronen entweder auf direktem Weg oder über einen Umweg abhanden kommen. "Der direkte Weg ist sehr einfach: Eines der Elektronen im Helium-Atom nimmt so viel Energie aus dem Laserpuls auf, dass es das Atom verlassen kann", sagt Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien.

"Der indirekte Weg ist etwas komplizierter: Wenn man beide Elektronen in einen höheren Energiezustand versetzt, kann eines davon wieder in den niedrigeren Energiezustand zurückkehren und die dabei frei werdende Energie auf das zweite Elektron übertragen, das damit das Atom verlässt", so der Wissenschafter.

Komplexe Abläufe steuerbar machen

Die Regeln der Quantenphysik lassen es aber ebenso zu, dass das Elektron gleichzeitig beide Wege beschreitet. Ob dem tatsächlich so ist – die Physiker nennen diesen Überlagerungszustand "Fano-Resonanzen" -, lässt sich beobachten, indem man Licht untersucht, das von derart behandelten Helium-Atomen absorbiert wird, sagt die TU-Forscherin Renate Pazourek.

Dieses Phänomen konnte das Wissenschafterteam aus Österreich und Deutschland nun aber gezielt verhindern. Die Forscher blockierten dazu während des Laser-Beschusses den indirekten Pfad mit einem weiteren Laserstrahl. Die Quantenüberlagerung der beiden Wege verschwindet damit.

Hält man zunächst beide Wege offen und sperrt nach einer gewissen Zeit den indirekten Weg, eröffne das neue Optionen, um den unglaublich schnell ablaufenden Prozess zu analysieren, so die Forscher. So lasse sich erstmals beobachten, wie sich solche speziellen Quantenüberlagerungen in Attosekunden aufbauen.

Das helfe nicht nur dabei, fundamentale Quanteneffekte besser zu verstehen, sondern mache es auch möglich, auf neue Art und Weise in solche Abläufe einzugreifen und sie zu steuern. Denkbar wäre nach Angaben der Forscher, chemische Reaktionen gezielt anzustoßen oder zu unterdrücken. (APA, 13. 11. 2016)

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