Zeittunnelung für attosekundengenaue Laser
Nach den Gesetzen der Quantenphysik können an Atome gebundene Elektronen eine Potentialbarriere durchdringen, die ihre Position wie eine Welle einschließt. Das Teilchen kann die andere Seite des Potentials auch dann erreichen, wenn seine Energie geringer als die Höhe der Barriere ist. Die Frage, wie lange ein Elektron zum Überwinden der Barriere benötigt, ist schon seit den Anfängen der quantenphysikalischen Forschung Gegenstand theoretischer Debatten. Im Jahr 2008 manipulierten Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) Heliumatome mit einem Laserimpuls, um die Barriere für die Ionisierung zu verkleinern. Dadurch konnte sich eines der Elektronen leicht hinaustunneln, und die Forscher konnten die Tunnelungsdauer erstmals messen. Sie schlugen das Projekt "Ultrafast lasers and attosecond dynamics" (ULAD) vor, um einen soliden theoretischen Rahmen für ihre Experimente zu schaffen. Im ULAD-Projekt verglichen die Wissenschaftler die Vorhersagen der vorherrschenden Theorien und wendeten einen neuen Ansatz an, um Tunnelungszeiten zu berechnen. Konkret wurde die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Tunnelungszeiten mithilfe der Feynman'schen Pfadintegralen bestimmt. Dieser Ansatz führte zu Ergebnissen, die mit den experimentellen Daten in Einklang stehen. Die ULAD-Wissenschaftler verwendeten adiabatische und nicht-adiabatische Modelle zur Errechnung der Tunnelungszeit aus experimentellen Messungen. Sie beschäftigten sich intensiv mit der Inkompatibilität der theoretisch abgeleiteten Tunnelungszeiten mit den experimentellen Messungen. So gelangten sie zu einem tieferen theoretischen Verständnis der physikalischen Prozesse, die hinter Elektronen stehen, die eine Potentialbarriere durchqueren. Die Ergebnisse der ULAD-Projekts wurden in sechs wissenschaftlichen Arbeiten beschrieben, die in renommierten expertengeprüften Fachzeitschriften veröffentlicht wurden: Physical Review Letters, Optica, J. Phys. B (anerkannt als J. Phys. B Highlight 2013) und New Journal of Physics (anerkannt als Highlight 2013 aller IOP-Fachzeitschriften). Die Forschungsarbeit zog auch auf den internationalen Konferenzen, auf denen sie vorgestellt wurde, Aufmerksamkeit auf sich. Weitere Experimente am ETH Zürich zur Validierung der ULAD-Ergebnisse sind bereits geplant. Die Lösung der Fragen, die durch die experimentellen Ergebnisse aufgeworfen werden, werden den Physikern tiefere Einblicke in die Beschaffenheit von Atomen sowie in den Ionisierungsvorgang selbst liefern.
Schlüsselbegriffe
Tunnelung, Attosekunde, Elektronen, Quantenphysik, ultraschnelle Laser
