Die Quantendynamik atomarer und molekularer Systeme
Zu starken Rydberg-Zuständen angeregte Atome standen aufgrund ihrer einzigartigen Quanteneigenschaften im Mittelpunkt des von der EU finanzierten Projekts DWBQS (Dynamics of weakly bound quantum systems). Bahnen mit einer hohen Hauptquantenzahl haben viel größere Dimensionen als der übrig gebliebene Ionenkern, weshalb die Rydberg-Atome sehr groß, reaktionsfreudig und ziemlich anfällig für Felder und Kollisionen sind. Die Erforschung von Rydberg-Zuständen und Systemen war Gegenstand einer zunehmenden Anzahl von Experimenten, die das Ziel hatten, Aufschluss über neue Quantenphasen und kollektiven Eigenschaften in Vielteilchensystemen zu geben. Im Rahmen des DWBQS-Projekts erforschten die Wissenschaftler Übergangs- und Zerfallsmechanismen in durch Photonen und Teilchenaufprall angeregten atomaren und molekularen Systemen. Mit Hilfe von Laserfeldern und der Herbeiführung von Kollisionen zwischen den Ionen konnten die Wissenschaftler die Quantenverschränkung betrachten, die Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet hatte. Die Quantenverschränkung ist ein seltsames Phänomen, das dann auftritt, wenn zwei Elementarteilchen auf eine Weise verbunden bleiben, dass eine Veränderung in dem einen eine entsprechende Wirkung auf das andere ausübt, egal wie weit sie sich voneinander entfernt befinden. Die Wissenschaftler erforschten zudem eine spezielle Klasse von zweiatomigen Zuständen mit großer Reichweite und schufen einen Einblick in die Dynamik von Rydberg-Wellenpaketen. Eine Anregung aus dem Grundzustand hin zu einer kohärenten Überlagerung starker Rydberg-Zustände erzeugt ein elektronisches Wellenpaket. Wellenpakete in autoionisierenden Systemen ─ spontan emittierende Elektronen ─ wurden von einem pertubativen Laserimpuls erzeugt. Die Projektmitglieder untersuchten gleichermaßen die Reaktion von im Grundzustand befindlichen zweiatomigen Molekülen auf schnelle, starke und zeitabhängige elektromagnetische Felder. Bei der Analyse der Versuchsdaten fanden sie einen starken Beweis für multi-elektronische Prozesse, die zur Erzeugung von autoionisierenden Zuständen durch zwischenenergetische Kollisionen hinführen. Die durch das DWBQS-Projekt betriebenen theoretischen Entwicklungen und experimentellen Einblicke sind von unschätzbarem Wert für das Verständnis von Phänomenen, welche bei der Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden. Insbesondere Untersuchungen der Quantenverschränkung werden von konzentrierten Hypothesen profitieren, die klare und interpretierbare Resultate liefern.
Schlüsselbegriffe
Quantendynamik, starke Rydberg-Zustände, Quantensysteme, Quantenverschränkung, Quanteninformationsverarbeitung
