Das Team um Reinhard Dörner hat zum ersten Mal den Kapitza-Dirac-Effekt voll zeitaufgelöst gemessen. Aber was ist das eigentlich und warum ist das so wichtig?
Die meisten werden sicher schonmal etwas vom Welle-Teilchen-Dualismus gehört haben. Ganz platt wird immer gesagt, dass Teilchen Wellen seien und umgekehrt. Das ist zwar etwas zu einfach formuliert, die theoretische Beschreibung ist durchaus komplizierter - es hat aber auch ganz praktische und sichtbare Auswirkungen. So zum Beispiel beim berühmten Doppelspalt-Experiment, wo Licht Wellen- und Teilcheneigenschaften aufweisen.
Aber genau wie Licht an einem Doppelspalt gestreut werden kann und dann Streumuster zeigt, können auch Elektronen Interferenzeffekte zeigen. Die beiden theoretischen Physiker Piotr Kapitza und Paul Dirac konnten im Jahr 1933 beweisen, dass ein Elektronenstrahl sogar von einer stehenden Lichtwelle abgelenkt wird (als Folge der Teilcheneigenschaften) und dass dabei Interferenzeffekte als Folge der Welleneigenschaften zu erwarten seien.
Nun ist es einem deutsch-chinesischen Team um Prof. Reinhard Dörner von der Goethe-Universität Frankfurt gelungen, sich diesen Kapitza-Dirac-Effekt zu nutzen, um sogar die zeitliche Entwicklung der Elektronenwellen sichtbar zu machen, die sogenannte quantenphysikalische Phase der Elektronen. Das berichten die Forscherinnen und Forscher im Fachblatt „Science“.
„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 – eine Femtosekunde ist eine millionstel milliardstel Sekunde – erzeugten in ihrem Kreuzungspunkt für Sekundenbruchteile ein ultrastarkes Lichtfeld. Dieses entriss denXenon-Atomen Elektronen, sie wurden ionisiert. Die freigesetzten Elektronen beschossen die Physikerinnen und 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-Reaktionsmikroskopes beobachten ließ.
„Im Wechselwirkungspunkt können drei Dinge passieren“, sagt 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: Die 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.
„Damit eröffnet sich eine Vielzahl von spannenden Anwendungen in der Quantenphysik. 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“, schließt der Wissenschaftler. 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: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn1555
