Zwei Wege führen aus dem Helium-Atom

Es ist zweifellos das berühmteste Experiment in der Quantenphysik: Beim Doppelspaltversuch wird ein einzelnes Teilchen auf eine Platte mit zwei Öffnungen geschossen, und aufgrund seiner Quanteneigenschaften muss es sich nicht für eine der beiden Öffnungen entscheiden, es tritt durch beide gleichzeitig hindurch. Etwas Ähnliches lässt sich auch beobachten, wenn man einem Helium-Atom mit einem Laserpuls ein Elektron entreißt.

So wie sich ein Teilchen gleichzeitig auf zwei Pfaden bewegt, kann Ionisation von Helium gleichzeitig über zwei verschiedene Prozesse ablaufen – und das lässt sich an ganz speziellen Überlagerungseffekten erkennen. Im Fall des Helium-Atoms handelt es sich dabei um sogenannte „Fano-Resonanzen“. Nun gelang es einem Team der TU Wien, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg und der Kansas State University, das Entstehen dieser Fano-Resonanzen direkt zu beobachten – obwohl dieser Effekt auf der Zeitskala von Femtosekunden abläuft.

Das Experiment wurde in Heidelberg durchgeführt, die Grundidee für das Experiment und komplexe Computersimulationen kamen von der TU Wien, weitere theoretische Beiträge lieferte die Kansas State University.

Direkter und indirekter Weg

Wenn ein Laserpuls das Helium-Atom trifft und ausreichend viel Energie auf eines der Elektronen überträgt, wird das Elektron einfach aus dem Atom herausgerissen. Es gibt allerdings noch eine zweite Möglichkeit, wie das Helium-Atom ionisiert werden kann – sie ist etwas komplizierter, wie Prof. Joachim Burgdörfer (Institut für Theoretische Physik, TU Wien) erklärt: „Wenn man beide Elektronen in einen höheren Energiezustand versetzt, dann kann eines davon wieder in den niedrigeren Energiezustand zurückkehren. Die dabei freiwerdende Energie kann auf das zweite Elektron übertragen werden, das damit schließlich das Atom verlässt.“
Das Endresultat beider Prozesse ist genau derselbe, beide verwandeln das neutrale Helium-Atom in ein Helium-Ion mit nur noch einem verbleibenden Elektron. So betrachtet sind beide Prozesse prinzipiell ununterscheidbar.

Fano-Resonanzen

„Quantenphysikalisch betrachtet kann jedes Atom beide Wege gleichzeitig beschreiten“, erklärt Renate Pazourek (TU Wien). „Genau das hinterlässt charakteristische Spuren.“ Wenn man das Licht untersucht, das von den Helium-Atomen absorbiert wird, dann erkennt man sogenannte Fano-Resonanzen – ein klares Zeichen dafür, dass hier der Endzustand auf zwei verschiedenen Wegen erreicht werden kann, einmal direkt und einmal indirekt.

Das lässt sich aber auch gezielt verhindern: Während des Ionisationsprozesses kann man den Zwischenschritt mit einem weiteren Laserstrahl ausschalten, dann gibt es nur noch den direkten Weg zur Ionisation und die Fano-Resonanz ist verschwunden. Das eröffnet nun eine neue Möglichkeit, den zeitlichen Ablauf des Prozesses zu studieren: Man erlaubt dem Atom zunächst, beide Wege gleichzeitig zu gehen, erst nach einer gewissen Zeit blockiert man den indirekten Weg. Je nachdem, wie lange beide Pfade gleichzeitig zugänglich waren, sind die Fano-Resonanzen stärker oder schwächer ausgeprägt.

Zusehen, wie Quanteneffekte entstehen

„Fano-Resonanzen konnte man schon in unterschiedlichen Systemen beobachten, sie spielen in der Atomphysik eine wichtige Rolle“, sagt Stefan Donsa (TU Wien). „Im Experiment konnten nun zum ersten Mal gezeigt werden, wie diese Resonanzen entstehen, wie man sie kontrollieren kann und wie sie sich im Lauf von Femtosekunden nach und nach aufbauen.“

„Die Zeitskalen, auf denen solche Quanten-Effekte ablaufen, sind so kurz, dass sie nach üblichen Zeitmaßstäben ganz plötzlich erscheinen, von einem Augenblick zum nächsten“, sagt Stefan Nagele. „Erst durch neue, aufwändige Methoden der Attosekundenphysik wird es heute möglich, den zeitlichen Ablauf solcher Vorgänge genau zu studieren.“

Das hilft nicht nur dabei, fundamentale Quanteneffekte besser zu verstehen, es liefert auch neue Möglichkeiten, in solche Abläufe einzugreifen und sie zu steuern – bis hin zu chemischen Reaktionen, die gezielt herbeigeführt oder unterdrückt werden können.

Originalpublikation: Observing the ultrafast build-up of a Fano resonance in the time domain, A. Kaldun et al., Science. (DOI: 10.1126/science.aah6972)

Wie groß das Interesse an diesen grundlegenden Effekten ist, zeigt auch, dass in derselben Ausgabe des Science-Magazins eine Arbeit von französischen und spanischen Forschern erscheint, welche eine komplementäre Methode der zeitaufgelösten Photoelektronen-Spektroskopie eingesetzt haben, um einen Blick „von außen“ auf die Fano-Resonanz des Atoms zu werfen (DOI: 10.1126/science.aah5188).

Rückfragehinweise:
Prof. Joachim Burgdörfer
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13610
joachim.burgdoerfer@tuwien.ac.at

Dr. Stefan Nagele
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13607
stefan.nagele@tuwien.ac.at