In der Quantenwelt spielt sich vieles unfassbar schnell ab. Wenn ein Elektron ein Photon absorbiert und dadurch in einen neuen Zustand übergeht, dauert das nur wenige Attosekunden. Solche Zeiträume liegen an der Grenze des derzeit Messbaren. Doch wie lange ein Quantenübergang exakt dauert, war bisher unklar.

Ein Forschungsteam um den Physiker Hugo Dil von der École polytechnique fédérale de Lausanne hat nun die Dauer von Quantenübergängen direkt bestimmt, ohne externe Zeitreferenz. Im Fachjournal »Newton« stellt es sein überraschendes Ergebnis vor: Wie lange der Übergang von einem Quantenzustand zu einem anderen dauert, hängt von der Symmetrie des zugrunde liegenden Systems ab.

Das Messen extrem kurzer Vorgänge zählt zu den hartnäckigsten Problemen der Physik. Denn jeder Versuch, eine externe Uhr einzusetzen, etwa einen Laserpuls, beeinflusst das zu untersuchende System. Die Laserpulse oder andere Zeitsignale koppeln an das Quantensystem an und verfälschen den Prozess, den man eigentlich messen will. Deshalb haben die Forschenden um Dil die Zeit an den Quantensystemen direkt abgelesen, ohne auf eine externe Zeitmessung angewiesen zu sein. Hierfür untersuchten sie die Quanteneigenschaften von Elektronen, die durch Licht aus einem Material herausgelöst werden.

Symmetrie beeinflusst die Dauer

Wenn ein Lichtteilchen ein Elektron in einem Material anregt, kann das Elektron mehrere verschiedene Wege einschlagen. Da die Regeln der Quantenmechanik gelten, folgt das Teilchen gewissermaßen allen Pfaden gleichzeitig. Durch die Überlagerung verschiedener Quantenpfade entsteht ein charakteristisches Interferenzmuster. Dieses hinterlässt eine Signatur im Spin des Elektrons, die Rückschlüsse auf die Dauer des Übergangs erlaubt. Indem die Forschenden um Dil den Spin der Elektronen in verschiedenen Situationen untersuchten, konnten sie bestimmen, wie lange der Quantenübergang – also die Anregung des Elektrons – gedauert hat, ganz ohne externe Uhr.

Die Forschenden nutzten hierfür Materialien mit unterschiedlicher innerer Struktur: dreidimensionale Metalle wie Kupfer, schichtartige Verbindungen wie TiSe₂ und TiTe₂ sowie kettenartige Materialien wie CuTe. Die Messungen zeigten ein klares Muster: Je einfacher und reduzierter die Struktur eines Materials ist (also je flacher, schichtartiger oder eindimensionaler), desto länger dauert der Quantenübergang. So brauchte der Übergang im quasi eindimensionalen CuTe rund 200 Attosekunden, während er im dreidimensionalen Kupfer bloß 26 Attosekunden brauchte. 

Der zeitliche Ablauf eines quantenmechanischen Übergangs ist also keineswegs universell oder instantan, sondern hängt von den strukturellen Eigenschaften des Materials ab. »Unsere experimentellen Ergebnisse liefern Erkenntnisse darüber, welche Faktoren die Zeit auf Quantenebene beeinflussen«, erklärt Dil. »Und sie könnten den Weg ebnen, um endlich die Rolle der Zeit in der Quantenmechanik zu verstehen.«