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Physik: Auf Quantenpfaden durch das Heliumatom

Ultrakurze Laserimpulse ermöglichen holografische Aufnahmen atomarer Strukturen, indem sie Elektronen in definierter Weise aus dem Atomverband reißen und zur Überlagerung mit sich selbst bringen. Am Heliumatom ließ sich das nun demonstrieren.
Interferenz am HeliumatomLaden...
Wie bewegen sich die Elektronen in einem Atom, und was genau spielt sich ab, wenn diese Bewegung gestört wird? Das zeitaufgelöst und detailliert zu erfassen, ist ein alter Wunschtraum der Physiker, dem sie bisher meist nur auf theoretischem Weg näher kamen; denn es gab einfach keine experimentellen Methoden zur direkten Abbildung solcher Vorgänge. Doch nun eröffnet die Attosekundenphysik neue Möglichkeiten, tiefer in die faszinierende Quantenwelt der Atome zu schauen. Dieses junge Forschungsgebiet macht jene extrem kurzen Zeitspannen zwischen zehn und einigen hundert trillionstel Sekunden zugänglich, innerhalb derer beispielsweise ein Elektron im Wasserstoffatom, klassisch gedacht, dessen Kern umkreist. Auf so kleinen Längen- und Zeitskalen kommen die quantenmechanischen Eigenschaften der Materie zum Tragen.

So können Elektronen mit sich selbst interferieren: Schickt man sie einzeln durch einen Doppelspalt, zeigen ihre Auftreffpunkte dahinter eine Häufigkeitsverteilung, die der Abfolge heller und dunkler Streifen beim selben Versuch mit Licht entspricht. Dies wird möglich, weil Teilchen in der Quantenwelt gleichzeitig Wellennatur haben: Als Welle durchquert das Elektron beide Spalte gleichzeitig und überlagert sich dahinter mit sich selbst.

Wegen der Wellennatur von Quantenobjekten liegt in der Analyse von Interferenzstrukturen oft ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis experimenteller Daten. Informationen über das erforschte System können darin ähnlich kodiert sein wie in einem Hologramm, das ja auch die Welleneigenschaften des Lichts nutzt, um einen Gegenstand dreidimensional abzubilden. Forscher aus der Arbeitsgruppe von Joachim Ullrich am Max-Planck Institut für Kernphysik in Heidelberg haben jetzt in Zusammenarbeit mit dem Team um Matthias Kling am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Artem Rudenko von der Max Planck Advanced Study Group in Hamburg nachgewiesen, dass Elektronen aus der Ionisation von Heliumatomen eine der Holografie analoge Interferenz zeigen und damit Informationen über die innere Struktur ihrer Mutteratome preisgeben können...
Februar 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Februar 2010

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In dieser Ausgabe widmen wir uns der Havel, Riemann und Quanten.

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