Im Rahmen eines Experiments an der Goethe-Universität Frankfurt ist es Wissenschaftlern gelungen, erstmals den sogenannten Kapitza-Dirac-Effekt in voller zeitlicher Auflösung zu beobachten. Dieser Effekt wurde vor über 90 Jahren erstmals postuliert, aber erst jetzt werden seine feinsten Details sichtbar. Electronen und Licht wechselwirken miteinander und können auch Interferenzeffekte zeigen. Piotr Kapitza und Paul Dirac postulierten, dass ein Elektronenstrahl sogar von einer stehenden Lichtwelle abgelenkt wird und Interferenzeffekte aufgrund der Welleneigenschaften zu erwarten sind.
Ein deutsch-chinesisches Team unter der Leitung von Professor Reinhard Dörner von der Goethe-Universität Frankfurt hat es geschafft, diesen Kapitza-Dirac-Effekt zu nutzen, um sogar die zeitliche Entwicklung der Elektronenwellen zu visualisieren, die als die quantenmechanische Phase der Elektronen bekannt ist. Die Forscher haben ihre Ergebnisse nun im Fachjournal Science vorgestellt. In ihrem Experiment feuerten die Wissenschaftler in Frankfurt zunächst zwei ultrakurze Laserpulse aus entgegengesetzten Richtungen auf ein Xenongas. An der Überkreuzungsstelle erzeugten diese Femtosekundenpulse – eine Femtosekunde ist ein Billiardstel (eine Millionstel einer Billionstel) einer Sekunde – für einen Bruchteil einer Sekunde ein ultrastarkes Lichtfeld. Dies riß Elektronen aus den Xenonatomen heraus, dh. es ionisierte sie.
Es ist Alexander Hartung, ehemaliger Doktorand unseres Instituts, der das experimentelle Apparate ursprünglich konstruiert hat, erklärt Dörner. Kang Lin, ein Alexander von Humboldt Stipendiat, der vier Jahre lang im Frankfurter Team gearbeitet hat, konnte es dann benutzen, um den zeitabhängigen Kapitza-Dirac-Effekt zu messen. Dazu war es auch notwendig, die theoretische Beschreibung weiterzuentwickeln, da Kapitza und Dirac zum damaligen Zeitpunkt die zeitliche Entwicklung der Elektronenphase nicht speziell berücksichtigten.
In ihrem Experiment erfolgte kurz nach der Ionisation die Bestrahlung der freigesetzten Elektronen mit einem zweiten Paar kurzer Laserpulse, die ebenfalls eine stehende Welle in der Mitte bildeten. An der Interaktionsstelle können drei Dinge passieren: Entweder interagiert das Elektron nicht mit dem Licht oder es wird nach links oder rechts gestreut. Diese drei Möglichkeiten addieren sich gemäß den Gesetzen der Quantenphysik zu einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, die sich in der Wellenfunktion der Elektronen widerspiegelt. Die zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion und ihrer Phase hängt davon ab, wie viel Zeit zwischen der Ionisation und dem Moment des Auftreffens des zweiten Paars von Laserpulsen verstreicht. Dies eröffnet viele spannende Anwendungen in der Quantenphysik und kann helfen, die Umwandlung von Elektronen von Quantenteilchen in vollkommen normale Teilchen zu verfolgen.