Licht-Materie-Interaktion geknackt: Forscher haben erstmals gemessen, wie schnell ein Quantensprung abläuft – die Anregung und Emission eines Elektrons durch Licht. Dieser photoelektrische Effekt wurde schon von Albert Einstein beschrieben, galt aber immer als zu schnell, um messbar zu sein. Durch eine Kombination von Laserpulsen und „Uhrenatomen“ ist nun die absolute Messung dieser Photoemission und der Dauer des Quantensprungs gelungen, wie die Forscher in „Nature“ berichten.
Es ist eine fundamentale Wechselwirkung von Licht und Materie: Wenn energiereiches Licht auf ein Atom fällt, reagieren dessen Elektronen darauf und springen auf ein höheres Energieniveau – oder werden sogar ganz aus ihrem Orbit katapultiert. Schon Albert Einstein beschrieb im Jahr 1905 diesen photoelektrischen Effekt. Wie schnell dabei die Elektronen auf das einfallende Licht reagieren, war jedoch lange unbekannt – der Prozess galt als nahezu instantan, in jedem Falle aber als unmessbar schnell.
Wie schnell springt das Elektron?
Doch inzwischen sind Physiker dem photoelektrischen Effekt auf die Spur gekommen – dank neuer Technologien. 2016 wies ein Team mithilfe von Attosekunden-Laserpulsen nach, dass die Elektronen mit Verzögerung auf die Lichteinstrahlung reagieren. Wenig später gelang Forschern ein weiterer Durchbruch: Sie verglichen erstmals die Dauer verschieden großer Quantensprünge der Elektronen in einem Heliumatom. Demnach dauert es umso länger, je stärker das Elektron angeregt wird.
Das Problem: Bei all diesen Messungen konnten Physiker bisher nur Zeitdifferenzen messen. Für die absolute Dauer eines Quantensprungs jedoch fehlte bisher eine geeignete „Stoppuhr“. Diese haben nun Marcus Ossiander vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und seine Kollegen durch geschickte Kombination mehrerer Experimente und Atome gefunden – und erstmals erfolgreich für Messungen eingesetzt.
