Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zwei Wege führen aus dem Helium-Atom

11.11.2016

Ein Effekt, zwei verschiedene Wege: Im Fachjournal „Science“ präsentiert ein Forschungsteam mit Beteiligung der TU Wien, wie sich Quantenüberlagerungen im Helium-Atom auf extrem kurzen Zeitskalen aufbauen.

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.


Ein direkter und ein indirekter Weg, das Atom zu ionisieren

TU Wien


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

TU Wien

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

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenverschränkung erstmals mit Licht von Quasaren bestätigt
20.08.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

nachricht Unser Gehirn behält das Unerwartete im Blick
17.08.2018 | Philipps-Universität Marburg

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: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

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

Quantenverschränkung erstmals mit Licht von Quasaren bestätigt

20.08.2018 | Physik Astronomie

1,6 Millionen Euro für den Aufbau einer Forschungsgruppe zu Quantentechnologien

20.08.2018 | Förderungen Preise

IHP-Technologie darf in den Weltraum fliegen

20.08.2018 | Energie und Elektrotechnik

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