Ambivalente Elektronen: Welle und Teilchen zur gleichen Zeit

Verleihung des Ernst-Eckhard-Koch-Preis an Daniel Rolles vom Fritz-Haber-Institut

Niels Bohr formulierte 1923 das Komplementaritätsprinzip: Jeder Bestandteil der Natur hat sowohl Teilchen als auch Wellencharakter. Es hängt vom Experiment ab, welche Eigenschaft man misst. Allerdings gibt es auch Situationen, in denen Materie gleichzeitig sowohl als Teilchen als auch als Welle erscheint. Daniel Rolles vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft gelang es in seiner Doktorarbeit erstmals, diese Ambivalenz der Natur für Elektronen nachzuweisen. Für seine Dissertation wird er heute in Berlin mit dem Ernst-Eckhard-Koch-Preis ausgezeichnet.

In den Grundzügen basiert seine Arbeit auf dem klassischen Doppelspaltexperiment von Young, bei dem Elektronen nach Durchlaufen eines Doppelspaltes ein Interferenzmuster bilden – also wellenartigen Charakter aufweisen. Zunächst zeigte Rolles, dass ein Stickstoffmolekül bestehend aus zwei identischen Stickstoffatomen einen molekularen Doppelspalt darstellt: Löst man mit weicher Röntgenstrahlung Elektronen aus der inneren Schale der Atome, so beobachtet man ihre kohärente Emission von beiden Atomen sowie ein Interferenzmuster in der Winkelverteilung der emittierten Elektron – ein eindeutiges Zeichen ihres wellenartigen Charakters. Rolles zeigte dann, dass diese Kohärenz und damit die Interferenz teilweise verloren gehen, wenn das Stickstoffmolekül aus zwei unterschiedlichen Isotopen (N14 und N15) besteht. Im Bild des Doppelspaltes bedeutet das, dass die Spalte „teilweise“ markiert werden und so auch „teilweise“ Aufschluss darüber geben, von welchem Atom die Elektronen stammen. Die beobachtete Winkelverteilung spiegelt den beginnenden, kontinuierlichen Übergang von einem kohärenten, sich wellenartig verhaltenden Systems zu einem inkohärenten System mit Teilchencharakter wieder.

Mit dem Ernst-Eckhard-Koch Preis zeichnet der Verein der Freunde und Förderer BESSYs jährlich herausragende Doktorarbeiten auf dem Gebiet der Synchrotronstrahlung aus. Die Doktorarbeiten sollen bei BESSY oder dem HASYLAB/Hamburg durchgeführt worden sein als den hauptsächlichen Wirkungsstätten von E.-E. Koch.