13.03.2014

Max-Planck-Institut für Kernphysik

Ein Phasenschieber für Atome - Quantenohren belauschen atomare Zustände in Helium

Schwingungen und Wellen sind neben ihrer Frequenz und Amplitude durch ihren zeitlichen Verlauf bezüglich eines vorgegebenen Zeitpunkts bestimmt – die sogenannte Phase. Die Phase wird in der Regel nicht beobachtet, aber bei der Überlagerung mehrerer Schwingungen (Interferenz) z.B. im unterschiedlichen Obertonspektrum verschiedener Musikinstrumente sind Phasendifferenzen von entscheidender Bedeutung. Im Falle von Schallwellen nimmt unser Gehör nur Frequenzen und Intensitäten (Quadrat der Amplitude) bewusst wahr. Wir können aber eine Schallquelle niederer Frequenz (unbewusst) anhand der Phasendifferenz des Signals orten, das unsere beiden Ohren mit leicht unterschiedlicher Laufzeit erreicht. Entsprechend spielen Phasen in der Stereo-Tontechnik eine wichtige Rolle und mit elektronischen Phasenschiebern lässt sich die räumliche Qualität von Schallsignalen beeinflussen und optimieren.

Die gleichen Prinzipien gelten in der Quantenmechanik, wo die Bewegung von Teilchen — beschrieben durch Wellenfunktionen – durch die Überlagerung mehrerer angeregter Zustände mit definierter Phasenbeziehung (Kohärenz) entsteht. Befinden sich diese Bewegungen zusätzlich unter dem Einfluss äußerer Felder, kommt es durch Licht-Materie Wechselwirkung (Kopplung) zu weiteren Beiträgen zur Phasenentwicklung sowie auch Veränderungen der Besetzungswahrscheinlichkeit der Zustände, z. B. durch Quantenübergänge. Während die Besetzungswahrscheinlichkeit — das Quadrat der quantenmechanischen Zustandsamplitude — direkt experimentell zugänglich ist, so ist die Phasenänderung einzelner gebundener Zustände, insbesondere in starken Laserfeldern, keine direkt messbare Größe.

Eine zustandsselektive Methode zur Messung der vollständigen quantenmechanischen Information, Amplitude und Phasenänderung wurde nun am Max-Planck Institut für Kernphysik gefunden und dabei auch ein kontrollierter Phasenschieber für atomare Zustände realisiert. Sie basiert auf der Analyse von Linienformen im Spektrum von Licht unter dem Einfluss äußerer Laserfelder.

Die Linienform wurde als Funktion der Verzögerungszeit (Abb. 1a) und der Intensität des koppelnden Lasers analysiert und erlaubte die Bestimmung einer komplexen Zahl, deren Amplitude und Phase den quantenmechanischen Zustand nach seiner Kopplung durch den Laser vollständig beschreibt. Als Funktion der Zeit sollte die komplexe Zahl laut Theorie einen Kreis in der komplexen Zahlenebene beschreiben (Abb. 1b), wobei sich die Phase (Winkel) periodisch hin- und her bewegt.

Interessanterweise wurden von den Forschern mit zunehmender Intensität der Laserkopplung Ellipsen beobachtet, die auf die Kopplung mit weiteren zunächst unerwarteten (Kontinuums-) Zuständen im Heliumatom hindeuten. Auf diese Weise lieferte diese neue quantitative ‚Phasenschieber‘-Methode auch ein qualitativ erweitertes Verständnis der fundamentalen Licht-Materie Wechselwirkung in Atomen.

Die Methode ist weder auf Helium noch auf die hier untersuchten doppelt-angeregten Zustände beschränkt, sondern erlaubt in jeder Form der Spektroskopie die Untersuchung zeitabhängiger Zustandsveränderungen. Diese Universalität wird in der Zukunft Einblicke in die nichtlineare Feld-Materie Kopplung in Atomen, Molekülen, Kernen oder auch der kondensierten Materie erlauben. Hochauflösende Spektroskopie ermöglicht schon jetzt genaueste Tests von Theorien der Atomstruktur und ihrer fundamentalen Wechselwirkungen. Die neu gefundene Methode könnte in der Zukunft präzise Tests fundamentaler Dynamik und zeitabhängiger Wechselwirkung in kleinen Quantensystemen erschließen: Ein Phasensprung in der Entwicklung der Quantendynamik.

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