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Hochpräzise Zeitmessungen und Abbildungen

Göttinger Forscher manipulieren Quantenzustand freier Elektronen Hochpräzise Zeitmessungen und Abbildungen

In der klassischen Physik kann ein Elektron nur eine einzige, bestimmte Geschwindigkeit annehmen. Quantenmechanisch ist es jedoch möglich, dass es sich in einer Überlagerung verschiedener Geschwindigkeiten befindet.

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Göttingen. 2015 hatten Göttinger Forscher gezeigt, dass ein solcher Überlagerungszustand freier Elektronen in einem ultraschnellen Elektronenmikroskop erzeugt werden kann, indem die Elektronen mit intensiven Lichtfeldern bestrahlt werden. Nun ist es ihnen erstmals gelungen, einen Strahl freier Elektronen durch eine präzise Folge von Lichtpulsen quantenmechanisch „kohärent“ zu kontrollieren.

Wenn wir einen Film sehen, der gerade rückwärts abgespielt wird, erkennen wir dies üblicherweise auf den ersten Blick. Unsere Alltagserfahrung lehrt uns, dass die meisten Vorgänge - beispielsweise das Zerspringen eines Blumentopfes - nicht ohne weiteres umkehrbar sind. Dieser „gerichtete Zeitpfeil“ entsteht durch die ungeordnete Wechselwirkung der großen Zahl daran beteiligter Atome und Moleküle. Ist man jedoch in der Lage, ein einzelnes Atom oder Elektron isoliert zu betrachten, lassen sich mikroskopische, quantenmechanische Prozesse häufig sehr gezielt steuern oder auch umkehren, was als „kohärente Kontrolle“ bezeichnet wird.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Claus Ropers und Dr. Sascha Schäfer am IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen hat nun gezeigt, dass diese Konzepte auf einen Strahl freier Elektronen übertragen werden können. Im Experiment lenkten die Forscher einen kurzen Elektronenpuls durch eine nanoskopisch kleine Metallstruktur, in der die Elektronen mit mehrfachen, präzise gesteuerten Lichtfeldern wechselwirken können.

Eine analoge Form der mehrfach gepulsten Wechselwirkung mit Quantensystemen wird in verschiedenen Spektroskopie- und Abbildungsmethoden verwendet, etwa in der Magnetresonanztomografie (MRT). Auf dem gleichen Prinzip beruhen Atomuhren für hochpräzise Zeitmessungen und damit sogar die Definition der Sekunde. Auch die Göttinger Forscher verbinden ihre Technologie mit der Hoffnung auf neue Anwendungen. r

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