Genaueste Zeitmessung eines Quantensprungs

Ein neutrales Heliumatom hat zwei Elektronen. Beschießt man es mit einem energiereichen Laserpuls, kann es zur Ionisation kommen: Eines der Elektronen verlässt das Atom. Dieser Prozess läuft auf der Zeitskala von Attosekunden ab – eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Wissenschaftler um Marcus Ossiander vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben diese sogenannte Photoemission nun mit bisher unerreichter Genauigkeit untersucht und konnten dabei unter anderem zeigen, dass auch das zurückbleibende Elektron eine Rolle spielt. Ihre Ergebnisse veröffentlichte das Team im Fachjournal „Nature Physics“.

In ihren Experimenten schickten die Forscher einen ultrakurzen Laserpuls mit einer Wellenlänge im extremen Ultraviolettbereich auf ein Heliumatom. Gleichzeitig ließen sie einen zweiten infraroten Laserpuls auftreffen, der etwas länger andauerte. Sobald eines der Elektronen – angeregt durch den ultravioletten Lichtblitz – das Atom verlassen hatte, wurde es vom infraroten Laserpuls erfasst und durch dessen elektromagnetisches Feld entweder beschleunigt oder abgebremst. Über diese Geschwindigkeitsänderung konnten die Physiker die Photoemission mit einer Genauigkeit im Zeptosekundenbereich vermessen, wobei eine Zeptosekunde dem Billionstel einer milliardstel Sekunde entspricht. Zudem konnten Ossiander und seine Kollegen erstmals bestimmen, wie sich die Energie des einfallenden Photons in den wenigen Attosekunden vor der Emission auf die beiden Elektronen des Heliumatoms quantenmechanisch verteilt.

„Wenn das eine Elektron aus dem Atom gerissen wird, kann es passieren, dass ein Teil der Laserenergie auf das zweite Elektron übertragen wird. Es bleibt zwar im Atom gebunden, wird aber in einen höheren Energiezustand versetzt“, erläutert Teammitglied Stefan Nagele von TU Wien. Denn die beiden Elektronen sind korreliert, also quantenphysikalisch eng miteinander verbunden, daher kann man sie nicht isoliert voneinander betrachten. Je nachdem, ob das verbleibende Elektron zusätzliche Energie erhält oder im Zustand minimaler Energie verbleibt, dauert der Ionisationsprozess unterschiedlich lange: „Wenn das verbleibende Elektron einen Teil der Energie abbekommt, dann läuft der Photoionisationsprozess schneller ab – um etwa fünf Attosekunden“, so Nagele.

„Das Verständnis dieser Vorgänge im Heliumatom bietet uns für künftige Experimente eine enorm verlässliche Basis“, sagt Koautor Martin Schultze vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Mit seinen zwei Elektronen lässt sich Helium noch vollständig quantenmechanisch berechnen. Und so glichen die Physiker die Ergebnisse ihrer Experimente auch mit den theoretischen Vorhersagen ab. „Wir können jetzt in dem verschränkten System aus Elektron und ionisiertem Helium-Mutteratom aus unseren Messungen die komplette wellenmechanische Beschreibung des Systems ableiten“, freut sich Schultze.