Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Den Quanten beim Springen zusehen

07.11.2016

Die bisher genauste zeitliche Vermessung von Quantensprüngen gelang in einem Forschungsprojekt von TU Wien und Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching.

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.


Ein Laserpuls trifft auf ein Heliumatom und entreißt ihm ein Elektron.

TU Wien


Stefan Nagele, Joachim Burgdörfer und Renate Pazourek (v.r.)

TU Wien

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 Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Physics“ publiziert.

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.

Originalpublikation: Attosecond Correlation Dynamics, M. Ossiander et al. Nature Physics

Rückfragehinweis:
Dr. Renate Pazourek
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13633
renate.pazourek@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

Weitere Berichte zu: Atom Attosekunde Elektron Elektronen Laserpuls Nature Physics Physics Quanten Zeitmessung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Organische Halbleiter: Ein Transistor für alle Fälle
19.03.2019 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Das Geheimnis des Vakuums erstmals nachweisen
15.03.2019 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Heading towards a tsunami of light

Researchers at Chalmers University of Technology and the University of Gothenburg, Sweden, have proposed a way to create a completely new source of radiation. Ultra-intense light pulses consist of the motion of a single wave and can be described as a tsunami of light. The strong wave can be used to study interactions between matter and light in a unique way. Their research is now published in the scientific journal Physical Review Letters.

"This source of radiation lets us look at reality through a new angle - it is like twisting a mirror and discovering something completely different," says...

Im Focus: Oszillation im Muskelgewebe

Wenn ein Muskel wächst oder eine Verletzung in ihm ausheilt, verwandelt sich ein Teil seiner Stammzellen in neue Muskelzellen. Wie dieser Prozess über zwei oszillierend hergestellte Proteine gesteuert wird, beschreibt nun das MDC-Team um Carmen Birchmeier im Fachjournal „Genes & Development“.

Die Stammzellen des Muskels müssen jederzeit auf dem Sprung sein: Wird der Muskel beispielsweise beim Sport verletzt, ist es ihre Aufgabe, sich so rasch wie...

Im Focus: Das Geheimnis des Vakuums erstmals nachweisen

Neue Forschungsgruppe an der Universität Jena vereint Theorie und Experiment, um erstmals bestimmte physikalische Prozesse im Quantenvakuum nachzuweisen

Für die meisten Menschen ist das Vakuum ein leerer Raum. Die Quantenphysik hingegen geht davon aus, dass selbst in diesem Zustand niedrigster Energie noch...

Im Focus: Revealing the secret of the vacuum for the first time

New research group at the University of Jena combines theory and experiment to demonstrate for the first time certain physical processes in a quantum vacuum

For most people, a vacuum is an empty space. Quantum physics, on the other hand, assumes that even in this lowest-energy state, particles and antiparticles...

Im Focus: Test der Symmetrie der Raumzeit mit Atomuhren

Der Vergleich zweier optischer Atomuhren bestätigt ihre hohe Genauigkeit und eine Grundannahme der Relativitätstheorie - Nature-Veröffentlichung

Einstein formulierte in seiner Speziellen Relativitätstheorie die These, die Lichtgeschwindigkeit sei immer und unter allen Bedingungen gleich. Doch diese...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz: Ausprobieren und diskutieren

19.03.2019 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Tagung zur Gesundheit von Meeressäugern

18.03.2019 | Veranstaltungen

Tuberkulose - eine der ältesten Krankheiten der Menschheit eliminieren!

15.03.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Organische Halbleiter: Ein Transistor für alle Fälle

19.03.2019 | Physik Astronomie

Additive Druckprozesse für flexible Touchscreens mit erhöhter Material- und Kosteneffizienz

19.03.2019 | HANNOVER MESSE

Forschung für weniger Plastik im Einkaufskorb

19.03.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics