Wanneer een kwantumsysteem van toestand verandert, dit wordt een kwantumsprong genoemd. Gebruikelijk, deze kwantumsprongen worden als ogenblikkelijk beschouwd. Nutsvoorzieningen, nieuwe methoden voor zeer nauwkeurige metingen stellen ons in staat om de tijdsevolutie van deze kwantumsprongen te bestuderen. Op een tijdschaal van attoseconden, hun tijdsstructuur wordt zichtbaar. Het is de meest nauwkeurige tijdmeting van kwantumsprongen tot nu toe.

Kwantumdeeltjes kunnen heel snel van toestand veranderen - dit wordt een "kwantumsprong" genoemd. Een atoom, bijvoorbeeld, kan een foton absorberen, daardoor veranderend in een staat van hogere energie. Gebruikelijk, deze processen worden verondersteld onmiddellijk te gebeuren, van het ene moment op het andere. Echter, met nieuwe methoden, ontwikkeld aan de TU Wien (Wenen), het is nu mogelijk om de tijdsstructuur van zulke extreem snelle toestandsveranderingen te bestuderen. Net zoals een elektronenmicroscoop ons in staat stelt om kleine structuren te bekijken die te klein zijn om met het blote oog te zien, ultrakorte laserpulsen stellen ons in staat om tijdelijke structuren te analyseren die voorheen ontoegankelijk waren.

Het theoretische deel van het project werd gedaan door het team van prof. Joachim Burgdörfer aan de TU Wien (Wenen), die ook het oorspronkelijke idee voor het experiment ontwikkelde. Het experiment werd uitgevoerd bij het Max-Planck-Instituut voor Quantum Optica in Garching (Duitsland). De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

De meest nauwkeurige tijdmeting van kwantumsprongen

Een neutraal heliumatoom heeft twee elektronen. Wanneer het wordt geraakt door een laserpuls met hoge energie, het kan worden geïoniseerd:een van de elektronen wordt uit het atoom gerukt en vertrekt ervan. Dit proces vindt plaats op een tijdschaal van attoseconden - één attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde.

"Je zou je kunnen voorstellen dat het andere elektron, die in het atoom blijft, speelt niet echt een belangrijke rol in dit proces, maar dat is niet waar", zegt Renate Pazourek (TU Wien). De twee elektronen zijn gecorreleerd, ze zijn nauw verbonden door de wetten van de kwantumfysica, ze kunnen niet worden gezien als onafhankelijke deeltjes. "Als een elektron uit het atoom wordt verwijderd, een deel van de laserenergie kan worden overgedragen naar het tweede elektron. Het blijft in het atoom, maar het wordt opgetild naar een staat van hogere energie", zegt Stefan Nagele (TU Wien).

Daarom, het is mogelijk om onderscheid te maken tussen twee verschillende ionisatieprocessen:een, waarin het resterende elektron extra energie krijgt en één, waarin het in een staat van minimale energie blijft. Met behulp van een geavanceerde experimentele opstelling, het was mogelijk om aan te tonen dat de duur van deze twee processen niet precies hetzelfde is.

"Als het resterende elektron naar een aangeslagen toestand springt, het foto-ionisatieproces is iets sneller - met ongeveer vijf attoseconden", zegt Stefan Nagele. Het is opmerkelijk hoe goed de experimentele resultaten overeenkomen met theoretische berekeningen en grootschalige computersimulaties die zijn uitgevoerd in het Wetenschappelijke Cluster van Wenen, De grootste supercomputer van Oostenrijk:"De precisie van het experiment is beter dan één attoseconde. Dit is de meest nauwkeurige tijdmeting van een kwantumsprong tot nu toe", zegt Renate Pazourek.

Attoseconden regelen

Het experiment biedt nieuwe inzichten in de fysica van ultrakorte tijdschalen. Effecten, die enkele decennia geleden nog als "onmiddellijk" werden beschouwd, kunnen nu worden gezien als temporele ontwikkelingen die kunnen worden berekend, gemeten en zelfs gecontroleerd. Dit helpt niet alleen om de basiswetten van de natuur te begrijpen, het brengt ook nieuwe mogelijkheden om materie op kwantumschaal te manipuleren.