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Quantenmechanik: Mit sich selbst überlagert

Hologramme könnten die innere Dynamik von Atomen abbilden. Dabei sollen allerdings nicht Licht-, sondern Elektronenwellen zum Zuge kommen.
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Wie bewegen sich die Elektronen in einem Atom? Dies in Quantensystemen zeitaufgelöst und detailliert zu erfassen ist ein alter Wunschtraum der Physiker, dessen Erfüllung man in den letzten Jahren durch erhebliche methodische Fortschritte immer näher gekommen ist. Einen neuen Zugang bietet die Attosekundenphysik, die eine Genauigkeit von weniger als einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde verspricht. Innerhalb solch extrem kurzer Zeitspannen vollzieht sich die Bewegung von Elektronen in der Atomhülle.

Eine Forschergruppe um Joachim Ullrich vom Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik hat sich nun die quantenmechanische Welleneigenschaft des Elektrons, mit sich selbst interferieren zu können, zunutze gemacht, um einen tieferen Einblick in die Atomhülle zu erhalten.

Interferenz ist auch die Grundlage der optischen Holografie: Hier durchlaufen Lichtwellen einen Strahlteiler, wobei ein Teilstrahl an dem zu untersuchenden Objekt reflektiert wird, um dann wieder mit dem auf direktem Wege gelaufenen Teilstrahl überlagert zu werden. Das dabei entstehende Interferenzmuster trägt die vollständige Information über das abgetastete Objekt und erlaubt so seine Rekonstruktion.

Im Experiment von Ullrich und Kollegen spielt das Heliumatom selbst die Rolle des Strahlteilers, indem es einem Laserimpuls ausgesetzt wird. Hat die Amplitude der Schwingung des Laserfelds ihr Maximum erreicht, kann sie das Elektron aus dem Atom herausreißen.

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Ionisation von Helium | Ionisation von Helium in einem ultrakurzen Laserimpuls. Das Elektron wird zu den Zeitpunkten t1 beziehungsweise t2 im jeweiligen Maximum der elektrischen Feldamplitude (gelbe Kurve) aus dem Atompotential (blauer Trichter) freigesetzt. Die beiden Teilwege tasten dabei das Rumpfion in verschiedener Weise ab. Die entsprechenden Wellenpakte des auslaufenden Elektrons (rechts) überlagern sich schließlich und interferieren.
Es gibt genau zwei Maxima, die Zeitpunkte t1 und t2, an denen dies erfolgen kann. Wird das Elektron zur Zeit t1 freigesetzt, so erzwingt der nachfolgende, sinusförmige Verlauf der Feldstärke dessen Kehrtwende und es muss wieder sein Mutterion passieren, bevor es das Atom endgültig verlässt. Dabei prägt das verbleibende Heliumion dem Elektronen-Wellenpaket seine Eigenheiten auf. Erfolgt die Freisetzung dagegen zur Zeit t2, kann das Elektron ohne diesen Umweg herauslaufen.

Sind Richtung und Geschwindigkeit des Elektrons auf beiden möglichen Wegen am Ende identisch, lässt sich nicht mehr nachvollziehen, welchen Quantenpfad das Teilchen nahm. Beide Wege sind damit ununterscheidbar und es kommt wie im bekannten Doppelspaltexperiment zur Interferenz. Analog zur optischen Holografie wird das Mutterion – bestehend aus Atomkern und dem in der Atomhülle verbliebenen zweiten Elektron – als Objekt gewissermaßen von dem ersten ausgesendeten Elektronen-Wellenpaket abgebildet. Den Referenzstrahl bildet das zu t2 freigesetzte, direkte Elektron.

Tatsächlich schauten sich die Wissenschaftler allerdings nicht nur ein einzelnes Heliumatom, sondern gleich einen ganzen Teilchenstrahl an. Dieser raste mit Überschall durch eine Ultrahochvakuumkammer, während das Team um Ullrich Laserimpulse auf ihn fokussierte. Mit schwachen elektrischen und magnetischen Feldern lenkten sie die Reaktionsprodukte – die freigesetzten Elektronen sowie die Heliumionen – dann auf zwei Detektoren.

Interferenzmuster eines ElektronsLaden...
Interferenzmuster eines Elektrons | Berechnetes Interferenzmuster eines Elektrons nach Ionisation von Helium in einem ultrakurzen Laserimpuls. Dargestellt ist die Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeit parallel (horizontale Achse) und senkrecht (vertikale Achse) zur Laserpolarisation.
Aus der Flugzeit und dem Auftreffort konnten die Physiker schließlich Richtung und Geschwindigkeit der Teilchen bestimmen. Die Häufigkeitsverteilungen der so ermittelten Messwerte verglichen sie mit Resultaten einer theoretischen Modellrechnung. Es zeigte sich, dass die gemessenen Werte qualitativ sehr gut mit der Vorhersage übereinstimmen, wobei das Modell nicht die gesamte Komplexität des Heliumatoms berücksichtigt, berichten die Forscher.

Aus ihren Ergebnissen schließen sie, dass die beobachteten Interferenzmuster in der Tat wie in einem Doppelspaltexperiment entstehen. Die Spalte sind dabei die beiden Zeitfenster, in denen das Elektron freigesetzt werden kann. Aus den gemessenen Strukturen folgt, dass die effektive Spaltbreite lediglich rund 20 Attosekunden beträgt. Die mit Hilfe eines Reaktionsmikroskops gemessene dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung des Elektrons einschließlich der darin enthaltenen Interferenzmuster könnte so als zeitabhängiges Hologramm des Heliumions aufgefasst werden.

Die Wissenschaftler um Ullrich messen dieser Methode ein großes Potenzial bei, weitere Fortschritte bei der Abbildung der inneren Dynamik von Atomen zu erzielen und zeitabhängige Informationen über atomare und molekulare Strukturen zu erhalten. Bei einer noch besseren Kontrolle der Wellenform der Laserimpulse könnte man beispielsweise zeitliche Veränderungen der Elektronen des Rumpfions auf einer Attosekunden-Zeitskala sichtbar machen, glauben sie.

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