Zum ersten Mal ist es Forschern der Universität Lund in Schweden gelungen, den Quantenzustand von Elektronen zu messen, die von Atomen emittiert werden, nachdem diese hochenergetische Lichtimpulse absorbiert haben. Dieser Durchbruch, der mit einer neuartigen Messtechnik namens KRAKEN erzielt wurde, verspricht tiefere Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.
Die Technik konzentriert sich auf den photoelektrischen Effekt, bei dem hochenergetisches Licht dazu führt, dass sich Elektronen von Atomen ablösen. Traditionell werden diese emittierten Elektronen (Photoelektronen) als klassische Teilchen behandelt. Sie sind jedoch Quantenobjekte, die sich sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten und quantenmechanische Beschreibungen erfordern.
"Durch die Messung des Quantenzustands des Photoelektrons kann unsere Technik die Frage 'Wie quantenhaft ist das Elektron?' präzise beantworten", erklärt David Busto, außerordentlicher Dozent für Atomphysik. Der Prozess umfasst die Ionisierung von Atomen mit ultrakurzen, hochenergetischen Lichtimpulsen und die Verwendung von Laserimpulsen unterschiedlicher Farben, um den Quantenzustand Scheibe für Scheibe zu rekonstruieren, ähnlich wie bei CT-Scans.
Die KRAKEN-Technik wurde erfolgreich auf Helium- und Argonatome angewendet und zeigte, dass der Quantenzustand des Photoelektrons je nach Material variiert. Dieser Fortschritt erweitert das Potenzial der Photoelektronenspektroskopie, einem Gebiet, das 1981 mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Sie ermöglicht den Zugang zu bisher nicht verfügbaren Quanteninformationen.
Zu den potenziellen Anwendungen gehören die Untersuchung von molekularen Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern, um zu verstehen, wie ionisierte Targets nach dem Verlust von Elektronen reagieren. Dies könnte sich auf die atmosphärische Photochemie, Lichtsammelsysteme wie Solarzellen und die Photosynthese auswirken. Sie verbindet auch die Attosekundenwissenschaft und die Spektroskopie mit Quanteninformation und -technologie und trägt so zur laufenden zweiten Quantenrevolution bei. Diese Revolution zielt darauf ab, einzelne Quantenobjekte für verschiedene Anwendungen zu manipulieren, was potenziell zu Fortschritten in der Materialwissenschaft und den Quantentechnologien führen könnte.