Absorbiert ein Atom genügend Energie, kann das zur Folge haben, dass sich einzelne Elektronen abtrennen und zu freien Teilchen werden. Einem Forscherteam der Ohio State University, Columbus, und der University of Virginia, Charlottesville, ist es nun erstmals gelungen, diesen nur weniger als eine Femtosekunde (eine Billiardstelsekunde) dauernden Trennungsvorgang zu verfolgen.

Die Wissenschaftler nutzten dazu im Wesentlichen eine seit rund 15 Jahren etablierte Technik, genannt RABBITT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interfering Two-photon Transitions). Mittels ultrakurzer Lichtpulse lassen sich damit Prozesse erforschen, die in sehr kleinen Zeiträumen ablaufen – etwa quantenmechanische Zustandsänderungen von Atomen. RABBITT diente bereits dazu, freie Elektronen zu untersuchen; bei sich ablösenden gelang das allerdings erst jetzt: "Wir verwenden Daten, die andere wegwerfen würden – nämlich diejenigen Informationen, die aus der Nähe des Atomkerns stammen. Bisher schienen die Daten zu komplex, um sie entschlüsseln zu können", erklärt Louis DiMauro, Projektleiter und Physikprofessor an der Ohio State University. Dem Team gelang es jedoch, ein Modell zu entwickeln, mit dem sich die nötigen Informationen extrahieren ließen – ihre Version der Technik nennen sie deshalb auch "RABBITT+", weil sie gegenüber der herkömmlichen zusätzliche Erkenntnisse liefert.

Die Ergebnisse der Gruppe zeigen, dass der Spin eines Elektrons auf dem Weg zum freien Teilchen vielfach variiert. Die jeweiligen Veränderungen finden dabei auf der Skala von Attosekunden (Tausendstel einer Femtosekunde) statt. Eine unmittelbare Konsequenz aus den Ergebnissen ist, dass die Wissenschaftler nun das quantenmechanische Verhalten von Elektronen aus verschiedenen Atomen klassifizieren können: "Jetzt können wir uns ein Elektron genau ansehen und seine Vorgeschichte nachvollziehen. Wir wissen nun, ob es zum Beispiel von einem Helium- oder einem Neonatom kommt", sagt DiMauro.

Doch die eigentliche Vision bestünde darin, quantenmechanische Prozesse innerhalb von Atomen und Molekülen zu verstehen und Bewegungen von subatomaren Teilchen zu lenken. Neuartige Zustände der Materie und eine Beeinflussung chemischer Reaktionen seien so in Zukunft vorstellbar.