09 Jul Elektronen als Wellenbewegung sichtbar gemacht
Es war eine der größten Überraschungen in der Geschichte der Naturwissenschaft: Vor rund 100 Jahren stellte sich heraus, dass die Bestandteile unserer Materie nicht einfach nur Teilchen sind, sondern auch Wellencharakter aufweisen. Genauso wie Licht an einem Doppelspalt gestreut werden kann und dann Streumuster zeigt, können auch Elektronen Interferenzeffekte hervorrufen. Die beiden Theoretiker Piotr Kapitza und Paul Dirac konnten im Jahr 1933 beweisen, dass ein Elektronenstrahl sogar von einer stehenden Lichtwelle als Folge der Teilcheneigenschaften abgelenkt wird, und dass dabei Interferenzeffekte als Folge der Welleneigenschaften zu erwarten sind. Ein deutsch-chinesischen Team um Professor Reinhard Dörner von der Goethe-Universität Frankfurt berichtet nun davon, diesen Kapitza-Dirac-Effekt zu nutzen, um die zeitliche Entwicklung der Elektronenwellen sichtbar zu machen: die sogenannte quantenphysikalische Phase der Elektronen. Dieser Effekt wurde erstmals vor über 90 Jahren postuliert, seine Feinheiten werden aber erst jetzt sichtbar.
Stehende Lichtwelle streut Elektronen
„Ein ehemaliger Doktorand unseres Instituts, Alexander Hartung, hat dieses Experiment ursprünglich aufgebaut“, sagt Dörner. „Er ist mittlerweile Lehrer geworden, und andere Mitarbeiter haben diesen einzigartigen Versuchsaufbau weiterentwickelt und nun für die Vermessung des zeitabhängigen Kapitza-Dirac-Effekts nutzen können.“ Dazu musste auch die theoretische Beschreibung weiterentwickelt werden, denn Kapitza und Dirac hatten die zeitliche Entwicklung der Elektronenphasen damals noch nicht eigens berücksichtigt.
Bei ihrem Experiment schossen die Frankfurter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zunächst zwei ultrakurze Laserpulse aus entgegengesetzten Richtungen auf ein Xenon-Gas. Diese Femtosekundenpulse erzeugten in ihrem Kreuzungspunkt für Sekundenbruchteile ein ultrastarkes Lichtfeld. Dieses entriss Xenon-Atomen Elektronen – es ionisierte sie. Die freigesetzten Elektronen beschossen die Physiker sehr kurz darauf mit einem zweiten Paar kurzer Laserpulse, die im Zentrum ebenfalls eine stehende Welle bildeten. Diese Pulse waren etwas schwächer und erzeugten keine weitere Ionisationen. Dafür konnten sie nun mit den freien Elektronen in Wechselwirkung treten, was sich mit Hilfe eines in Frankfurt entwickelten Coltrims-Reaktionsmikroskops beobachten ließ.
„Im Wechselwirkungspunkt können drei Dinge passieren“, erklärt Dörner. „Entweder das Elektron erfährt keine Wechselwirkung mit dem Licht – oder es wird nach links oder nach rechts gestreut.“ Diese drei Möglichkeiten summieren sich nach den Gesetzen der Quantenphysik zu einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, die sich in der Wellenfunktion der Elektronen niederschlägt: Der wolkenartige Raum, in dem sich das Elektron mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit aufhält, zerfällt sozusagen in dreidimensionale Scheiben. Dabei ist die zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion und ihrer Phase davon abhängig, wie viel Zeit zwischen der Ionisation und dem Auftreffen des nachfolgenden Paares von Laserpulsen folgt.
Von links: Reinhard Dörner, Markus Schöffler, Sina Jacob, Maksim Kunitski, Till Jahnke, Alexander Hartung und Sebastian Eckart. Bild: Jürgen Lecher / Goethe-Universität Frankfurt
Spukhafte Verschränkung sichtbar machen
„Damit eröffnet sich eine Vielzahl von spannenden Anwendungen in der Quantenphysik“, sagt Dörner. „Hoffentlich werden wir damit verfolgen können, wie Elektronen sich in kürzester Zeit von Quantenteilchen in ganz normale Teilchen verwandeln. Wir haben auch schon Pläne, damit der von Einstein so genannten spukhaften Verschränkung zwischen verschiedenen Teilchen weiter auf die Spur zu kommen.“ Wie so oft in der Naturwissenschaft hat es sich also auch hier gelohnt, alterprobte Theorien immer wieder aufs Neue auf den Prüfstand zu stellen.
Originalpublikation
[Kang Lin, Sebastian Eckart, Hao Liang, Alexander Hartung, Sina Jacob, Qinying Ji, Lothar Ph. H. Schmidt, Markus S. Schöffler, Till Jahnke, Maksim Kunitski, Reinhard Dörner. Ultrafast Kapitza-Dirac effect. Science (2024) https://doi.org/10.1126/science.adn1555]
Quelle und Bild: www.uni-frankfurt.de
