Schrödingers Katze im Elektronenmikroskop

  • 29. May 2015

Forscher versetzen Elektronen in eine Überlagerung verschiedener Geschwindigkeiten.

Als Schrödinger-Katze bezeichnen Quantenphysiker die Möglichkeit eines Systems, sich gleichzeitig in zwei einander eigentlich ausschließenden Zuständen zu befinden. In einem Gedankenexperiment lässt mit den Regeln der Quantenmechanik eine Katze in die absurde Überlagerung aus zugleich tot und lebendig gebracht. Wissenschaftler der Uni Göttingen haben nun auf mikroskopischer Ebene einen neuen Ansatz entwickelt, um reine Überlagerungs-Zustände freier Elektronen zu erzeugen. In diesen Zuständen bewegen sich die Elektronen im quantenmechanischen Sinn zugleich bei einer festen Anzahl unterschiedlicher Geschwindigkeiten, einer in der klassischen Physik unmöglichen Situation.

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Abb. Schematischer Aufbau des ultraschnellen Elektronenmikroskops. Eine Nanospitze erzeugt per Photoemission ultrakurze Elektronenpulse, die mit dem optischen Nahfeld der zu untersuchenden Nanostruktur wechselwirken. (Bild: Feist et al. / NPG)

Das Team um Claus Ropers und Sascha Schäfer hat für das Experiment ein ultraschnelles Elektronenmikroskop entwickelt, in dem an einer Nanostruktur kurze Pulse aus Elektronen mit intensiven Lichtfeldern wechselwirken. „Wir beobachten, dass die Elektronen dabei Photonen aus dem Lichtfeld aufnehmen oder an dieses abgeben können, und dabei Geschwindigkeit gewinnen oder verlieren“, erklärt Ropers. Die genaue Anzahl der ausgetauschten Photonen ist dabei quantenmechanisch unbestimmt, so dass sich die Elektronen in einer Überlagerung verschiedener Geschwindigkeiten befinden.

Der Nachweis der gezielten Quantenkontrolle dieser Zustände gelang über die Beobachtung von Rabi-Oszillationen: Dabei oszilliert die Verteilung der Elektronen auf verschiedene Geschwindigkeiten, wenn die Lichtintensität variiert wird. Auf der Grundlage ihrer Messungen sagen die Forscher voraus, dass sich der gezielt manipulierte Elektronenpuls in eine Art zeitlichen Kamm umformt, dessen Zacken jeweils kürzer sind als hundert Attosekunden. „Die Attosekunden-Kammstruktur müssen wir noch experimentell zeigen. Unabhängig davon ermöglicht unser neu-entwickeltes ultraschnelles Elektronenmikroskop aber heute schon, viele dynamische Prozesse auf der mikroskopischen Skala anzuschauen“, sagt Team-Mitglied Armin Feist.

GAU / RK

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