20.07.2005

Moderner Doppelspaltversuch

Bei einem neuen Doppelspaltversuch findet die Interferenz nicht im Orts-, sondern im Zeitraum statt. (aus: Physik in unserer Zeit)




Der Doppelspaltversuch gilt als eines der zentralen Experimente der Quantenmechanik. Dies gilt insbesondere auch für die 1961 durchgeführte Variante mit Elektronen. Physiker in Europa und den USA haben diesen Versuch nun so abgeändert, dass die Interferenz nicht im Orts-, sondern im Zeitraum stattfindet \[1\].

Im konventionellen Aufbau besteht der Doppelspalt aus einer Maske mit zwei Schlitzen. Ein darauf einfallender Elektronenstrahl führt zu einem Interferenzmuster auf einem dahinter liegenden Schirm. Das Experiment funktioniert auch dann, wenn der Elektronenstrahl so schwach ist, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich zwei Elektronen gleichzeitig in der Apparatur befinden, verschwindend klein ist. Die Interferenz hat also ihre Ursache nicht in der Präsenz mehrerer Elektronen, sondern in der Tatsache, dass das Elektron zwei Alternativen hat, um einen bestimmten Punkt auf dem Schirm zu erreichen: Es gibt keine “Welcher-Weg-Information.“ Bei einem Einfachspalt ist der Weg des Elektrons bekannt, folglich entsteht kein Interferenzmuster.

Wir haben den Doppelspalt-Versuch so abgeändert, dass die Interferenz nicht im Orts-, sondern im Zeitraum stattfindet. Hierbei ersetzt man die Spaltblende durch Atome, die mit extrem kurzen Laserpulsen beschossen werden. Dabei passiert Folgendes: Trifft ein Laserpuls, der aus kaum mehr als einer optischen Schwingung besteht (Einzelzyklenpulse), auf ein Atom, so emittiert dieses Photoelektronen. In dem Experiment wurden Edelgas-Atome verwendet, deren Ionisationsenergie wesentlich größer als die Photonenenergie ist.

Die Elektronen haben nur dann eine Chance das Atom zu verlassen, wenn die Laserfeldstärke sehr groß ist. Nun sind die Einzelzyklenpulse so kurz, dass Photoelektronen-Emission nur für ein oder zwei extrem kurze Zeitfenster eintritt. Es ist sogar möglich, die zeitliche Lage und die Anzahl dieser Zeitfenster dadurch einzustellen, dass die Pulseinhüllende gegenüber der Trägerwelle verzögert wird \[2\]. Für eine geeignete Verzögerung hat man beispielsweise ein Extremum in positiver Richtung und zwei Extrema in negativer Richtung. Entsprechend gibt es ein Zeitfenster für die Photoelektronen-Emission nach rechts und zwei für die Emission nach links.

Damit ist die Maske mit den ein oder zwei Spalten durch ein mit einem Laserpuls bestrahltes Atom ersetzt worden. Durch passende Wahl dieses Pulses kann man dafür sorgen, dass Elektronen die nach rechts fliegen nur ein einziges Zeitfenster zur Verfügung haben, während nach links fliegende Elektronen zwei Zeitfenster zum Verlassen des Atoms nutzen können. Der erste Fall entspricht dem Einfachspalt ohne Interferenz, der zweite Fall dem Doppelspalt mit Interferenzmuster.

Anders als für den räumlichen Doppelspalt, bei dem man die Interferenz in der zur Raumrichtung konjugierten Impulsvariablen beobachtet, erscheint die Interferenz beim zeitlichen Doppelspalt im Energieraum.

Der Reiz dieses Experiments liegt unter anderem darin, dass die „Spalte“ durch Einstellen der Phase zwischen Pulseinhüllender und Trägerwelle geöffnet und geschlossen werden können. Darüber hinaus hat man den Einfach- und Doppelspalt für ein- und dasselbe Elektron zeitgleich für verschiedene Richtungen und entsprechenden Kontrast der Interferenzmuster.

Eine Anwendung könnte Interferometrie im Zeitraum sein: Die Zeitfenster haben eine Breite im Attosekundenbereich die sich in entsprechenden Strukturen in den gemessenen Interferenzmustern widerspiegeln.

Gerhard G. Paulus, Texas A&M University, College Station.

\[1\] F. Lindner et al., http://www.arxiv.org/abs/quant-ph/0503165
\[2\] G. G. Paulus et al., Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 253004.

Quelle: Physik in unserer Zeit, 4/2005, S. 154

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