05.03.2005 - Physik
Forscher demonstrieren die zeitliche Interferenz von Elektronen
Mit einer moderne Variante des berühmten Doppelspaltexperimentes haben Physiker aus Europa und den Vereinigten Staaten die Welleneigenschaften einzelner Elektronen nachgewiesen. Im Gegensatz zu dem in den zwanziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts durchgeführten Doppelspaltexperiments wanderten die Elektronen allerdings nicht durch ein System zweier getrennter Spalte in einem Schirm, sondern sie wurden vielmehr durch einen ultrakurzen Laserpuls am selben Ort erzeugt - allerdings zu zwei verschiedenen Zeitpunkten. Darüber berichtet der Nachrichtendienst Physics Web.
Das im neunzehnten Jahrhundert von Thomas Young ersonnene Experiment zum Nachweis der Wellennatur des Lichts erlebte bereits etwa hundert Jahre später eine Renaissance. Die Pioniere der Quantenmechanik schossen damals einen Elektronenstrahl auf einen Schirm mit zwei dünnen Schlitzen und beobachten das auf der anderen Seite entstehende Interferenzmuster mithilfe einer photographischen Platte. Dadurch konnten sie nachweisen, dass sich Elektronen unter bestimmten Umständen wie Wellen verhalten – nämlich genau dann, wenn nicht bekannt ist, durch welchen der beiden Schlitze die einzelnen Elektronen zum Schirm wandern.
Gerhard Paulus und seine Kollegen aus Texas, Berlin, München, Sarajevo und Wien haben nun quasi die zeitliche Version dieses Experiments durchgeführt. Dazu schossen sie einen nur wenige Femtosekunden kurzen Laserpuls auf einen Behälter mit Argonatomen. Dadurch wurden die Atome ionisiert und gaben so Elektronen ab, die mittels zweier Detektoren auf ihre Energie hin untersucht werden konnten (siehe Bild).
Der ionisierende Lichtblitz war so kurz, dass die Amplitude seines elektrischen Felds nur zwei Maxima und ein Minimum durchlief. Die Argonatome konnten daher ihre Elektronen nur zu drei möglichen Zeitpunkten – denen der Maxima und des Minimums – abgeben, da nur dann das Feld stark genug war, um die Atome zu ionisieren.
Der Clou dieses Experiments bestand nun darin, dass sich die Bewegungsrichtungen der abgegebenen Elektronen unterschieden, je nachdem, ob diese durch die Maxima oder das Minimum des Felds erzeugt wurden. Die Forscher konnten somit die beiden Energieverteilungen der Elektronen getrennt untersuchen.
Dabei stellte sich heraus, dass die durch die beiden Maxima erzeugten Elektronen in der Tat ein Interferenzmuster aufwiesen – allerdings nicht im Raum, sondern in ihrer Energieverteilung. Dies hängt damit zusammen, dass ungewiss ist, welches der beiden zeitlich getrennten Maxima des Felds die einzelnen Elektronen von ihrem Atom losgerissen hat. Der Detektor, der die durch das Minimum freigesetzten Elektronen untersuchte, wies folglich auch keine Anzeichen einer Interferenz nach – schließlich war in diesem Falle der Zeitpunkt des Elektronenausstoßes genau bestimmt.
Die Forscher hatten somit quasi einen „zeitlichen Doppelspalt“ erzeugt und ein weiteres Mal die merkwürdigen Konsequenzen der Quantenmechanik nachgewiesen. Zur Überprüfung ihrer Interpretation ionisierten sie die Atome zusätzlich auch mit einem Lichtblitz, dessen Feld zwei Minima und ein Maximum aufwies. Wie zu erwarten, fand sie die Interferenz nun mit dem anderen Detektor.
:tlt:Cheers:tlt:
