Phasenverschobenes Helium
Doppelt angeregte Helium-Zustände erlauben dank „Phasenschieber“-Methode die Vermessung zeitabhängiger Amplituden und Phaseninformation.
Die Phasen von Wellen spielen in der Stereo-Tontechnik eine wichtige Rolle und mit elektronischen Phasenschiebern lässt sich die räumliche Qualität von Schallsignalen beeinflussen und optimieren. Die gleichen Prinzipien gelten in der Quantenmechanik. Eine zustandsselektive Methode zur Messung der vollständigen quantenmechanischen Information, Amplitude und Phasenänderung konnten nun Forscher am Max-Planck Institut für Kernphysik finden und dabei auch einen kontrollierten Phasenschieber für atomare Zustände realisieren. Das Verfahren basiert auf der Analyse von Linienformen im Spektrum von Licht unter dem Einfluss äußerer Laserfelder.
Abb.: Aus der Analyse einer spektralen Absorptionslinie (a) als Funktion des Zeitabstands (orange) zweier kurzer Lichtblitze können Phase und Amplitude eines zeitabhängigen angeregten Quantenzustands bestimmt werden. (Bild: MPIK)
Die Linienform wurde als Funktion der Verzögerungszeit und der Intensität des koppelnden Lasers analysiert. Dies erlaubte die Bestimmung der Amplitude und Phase nach der Kopplung mit dem Laser. Als Funktion der Zeit sollte die komplexe Zahl laut Theorie einen Kreis in der komplexen Zahlenebene beschreiben, wobei sich die Phase periodisch hin- und her bewegt. Interessanterweise wurden von den Forschern mit zunehmender Intensität der Laserkopplung jedoch Ellipsen beobachtet, die auf die Kopplung mit weiteren zunächst unerwarteten (Kontinuums-)Zuständen im Heliumatom hindeuten. Auf diese Weise lieferte diese neue quantitative „Phasenschieber“-Methode auch ein qualitativ erweitertes Verständnis der fundamentalen Licht-Materie Wechselwirkung in Atomen.
Das Verfahren ist weder auf Helium noch auf die hier untersuchten doppelt-angeregten Zustände beschränkt, sondern erlaubt in jeder Form der Spektroskopie die Untersuchung zeitabhängiger Zustandsveränderungen. Diese Universalität wird in der Zukunft Einblicke in die nichtlineare Feld-Materie Kopplung in Atomen, Molekülen, Kernen oder auch der kondensierten Materie erlauben. Hochauflösende Spektroskopie ermöglicht schon jetzt genaue Tests von Theorien der Atomstruktur und ihrer fundamentalen Wechselwirkungen. Die neu gefundene Methode könnte in der Zukunft auch präzise Tests fundamentaler Dynamiken und zeitabhängiger Wechselwirkungen in kleinen Quantensystemen erschließen.
MPIK / DE
