Den Quanten beim Springen zusehen

Die bisher genauste zeitliche Vermessung von Quantensprüngen

08.11.2016 - Österreich

Ganz plötzlich können Quantenteilchen ihren Zustand ändern, man spricht dann oft von „Quantensprüngen“. So können Atome zum Beispiel ein Lichtteilchen absorbieren und dadurch in einen Zustand mit höherer Energie wechseln. Meistens geht man davon aus, dass solche Vorgänge ganz abrupt ablaufen, von einem Augenblick auf den anderen. Mit neuen Methoden, die an der TU Wien maßgeblich mitentwickelt wurden, gelingt es nun allerdings, die zeitliche Struktur dieser extrem schnellen Übergänge zu studieren. Ähnlich wie das Elektronenmikroskop erlaubt, einen Blick auf winzige räumliche Strukturen zu werfen, die für das Auge unsichtbar sind, kann man nun mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse zeitliche Strukturen analysieren, die uns bisher verborgen waren.

Den theoretischen Teil der Forschungsarbeit übernahm das Team von Prof. Joachim Burgdörfer an der TU Wien, das auch die ursprüngliche Idee für das Experiment entwickelt hatte. Der experimentelle Teil wurde am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching durchgeführt.

Die genaueste Zeitmessung eines Quantensprungs

Ein neutrales Heliumatom hat zwei Elektronen. Wenn man es mit einem energiereichen Laserpuls beschießt, kann es zur Ionisation kommen: Eines der Elektronen wird vom Laserpuls fortgerissen und verlässt das Atom. Dieser Prozess läuft auf der Zeitskala von Attosekunden ab – eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde.

„Nun könnte man glauben, dass das zweite Elektron, das im Atom bleibt, bei diesem Prozess gar keine Rolle spielt – das stimmt aber nicht“, sagt Renate Pazourek (TU Wien). Die beiden Elektronen sind korreliert, also quantenphysikalisch eng miteinander verbunden, daher kann man sie nicht isoliert voneinander betrachten. „Wenn das eine Elektron aus dem Atom gerissen wird, kann es passieren, dass ein Teil der Laser-Energie auf das zweite Elektron übertragen wird. Es bleibt zwar im Atom gebunden, wird aber in einen höheren Energiezustand versetzt“, erklärt Stefan Nagele (ebenfalls TU Wien).

Man kann also zwei verschiedene Ionisationsprozesse beobachten: Einen, in dem das verbleibende Elektron zusätzliche Energie bekommt, und einen, in dem es im Zustand minimaler Energie bleibt. Mit Hilfe eines ausgeklügelten Versuchsaufbaus mit zwei verschiedenen Lasern konnte man nun zeigen, dass diese beiden Prozesse nicht exakt gleich lange dauern.

„Wenn das verbleibende Elektron einen Teil der Energie abbekommt, dann läuft der Photoionisationsprozess schneller ab – um etwa fünf Attosekunden“, erklärt Stefan Nagele. Bemerkenswert ist, wie gut theoretische Berechnungen und aufwändige Computersimulationen (durchgeführt am Vienna Scientific Cluster, Österreichs größtem Supercomputer) mit den Messungen übereinstimmen: „Die Genauigkeit des Experiments liegt bei weniger als einer Attosekunde, das ist die genaueste Zeitmessung für einen Quantensprung, die es bisher gab“, sagt Renate Pazourek.

Kontrolle über die Attosekunde

Das Experiment liefert neue Einblicke in die Physik ultrakurzer Zeitskalen. Was man vor wenigen Jahrzehnten noch als „plötzlich“ oder „instantan“ gesehen hat, lässt sich heute als zeitliche Entwicklung betrachten, die man berechnen, messen und sogar kontrollieren kann. Das hilft nicht nur dabei, die grundlegenden Gesetze der Natur besser zu verstehen, es ermöglicht auch neue Methoden, die Materie auf kleinster Skala zu manipulieren.