Forscher haben Veränderungen innerhalb eines Atoms in einer unglaublichen Größenordnung – der Zeptosekunde – beobachtet und damit eine bemerkenswerte wissenschaftliche Präzisionsleistung vollbracht. Eine Zeptosekunde ist ein Billionstel einer Milliardstel Sekunde und damit die kleinste jemals beobachtete Zeiteinheit.
Im Mittelpunkt dieser wichtigen Studie stand das faszinierende Ereignis, dass ein Elektron aus seinem Mutteratom ausbricht, wenn es durch Licht aktiviert wird. Wenn Photonen mit Elektronen kollidieren, werden diese angeregt und können sich aus ihren atomaren Verbindungen lösen. Albert Einstein hat dieses Phänomen, das als photoelektrischer Effekt bekannt ist, im Jahr 1905 berühmt gemacht.
Laut Martin Schultze vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (Deutschland) konnten die Wissenschaftler bei früheren Untersuchungen dieses Effekts nur beobachten, was passierte, nachdem sich das Elektron aus dem Atom gelöst hatte.
Schultze und sein Team haben nun den gesamten Vorgang von Anfang bis Ende aufgezeichnet. Sie verfolgten den gesamten Ausstoß von Elektronen aus einem Heliumatom mit der Präzision einer Zeptosekunde (entspricht 10-21 Sekunden) und erzielten damit einen Durchbruch in der Zeitmessung.
Für ihre Untersuchungen verwendeten die Forscher einen ultravioletten Laserpuls mit einer Länge von 100 bis 200 Attosekunden (10-18 Sekunden). Durch mehrere Beobachtungen und die Untersuchung der statistischen Verteilung konnten sie Ereignisse erkennen, die mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit von 850 Zeptosekunden abliefen.
Ein Laserpuls im nahen Infrarot mit einer Dauer von vier Femtosekunden (10-15 Sekunden) wurde ebenfalls verwendet, um den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem ein Elektron das Heliumatom verlässt. Je nach dem elektromagnetischen Feld des Laserpulses wird das Elektron entweder beschleunigt oder abgebremst.
“Mit dieser Information”, so Marcus Ossiander vom Max-Planck-Institut, “können wir die Zeit messen, die das Elektron braucht, um seinen Quantenzustand von dem sehr eingeschränkten, gebundenen Zustand um das Atom herum in den freien Zustand zu wechseln.”
Je nach Wechselwirkung des Elektrons mit dem Kern und dem anderen Elektron lagen die Ausstöße zwischen 7 und 20 Attosekunden, so Schultze.
Die Forscher konnten auch feststellen, ob die Elektronen die Laserenergie gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilten. In einigen Fällen nahm ein einzelnes Elektron die gesamte Energie auf. Diese Energieaufteilung wurde durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter die Quantenkorrelation zwischen den Elektronen und der elektromagnetische Zustand des Laserfeldes.
Helium wurde für die Studie ausgewählt, weil es nur zwei Elektronen hat, was eine direkte Messung ihres Quantenverhaltens ermöglicht. Bei Atomen mit mehr Elektronen wären Annahmen über die Energieaufteilung und die Auswurfzeit erforderlich.
Diese bahnbrechenden Erkenntnisse geben Aufschluss über das Quantenverhalten von Atomen, insbesondere über die Operationen von Elektronen. Das Verständnis dieser Dynamik kann zu bedeutenden Fortschritten in Bereichen wie Supraleitung und Quantencomputer führen.
“Es gibt immer mehr als ein Elektron”, sagt Schultze und unterstreicht damit die Notwendigkeit, die Wechselwirkungen von Elektronen zu verstehen. Sie stehen immer in Wechselwirkung. Selbst über enorme Entfernungen hinweg werden sie sich immer gegenseitig spüren. Viele Dinge beruhen auf den Wechselwirkungen einzelner Elektronen, aber wir behandeln sie als Gruppe. Wenn man die Atome wirklich mikroskopisch verstehen will, muss man erst einmal begreifen, wie die Elektronen miteinander wechselwirken.”
Dieser bemerkenswerte Durchbruch bei der Zeitmessung auf der Zeptosekunden-Skala eröffnet neue Wege für wissenschaftliche Untersuchungen und ermöglicht es den Forschern, tiefer in die Komplexität des Quantenbereichs einzutauchen. Mit jeder neuen Entdeckung wächst unser Verständnis der Welt und fordert die Grenzen des menschlichen Wissens heraus.
