Wissenschaftler haben einen Vorgang mit der bislang unerreichten Genauigkeit von einigen hundert Zeptosekunden vermessen. Eine Zeptosekunde ist der billionste Teil einer milliardstel Sekunde – oder dauert, anders gesagt, gerade einmal 10-21 Sekunden. Ziel des Teams um Reinhard Kienberger von der TU München war es, einen Prozess im Innern von Heliumatomen besser zu verstehen.

Die Forscher haben die Atome mit Hilfe extrem kurzer Lichtblitze untersucht. Durch die Bestrahlung mit einem Laser kann die Energie eines Photons auf die beiden Elektronen des Heliumatoms übergehen, wodurch eines der beiden aus dem Atom herauskatapultiert wird. Diese Form der Photoemission beziehungsweise den dahinter stehenden photoelektrischen Effekt hatte Albert Einstein Anfang des letzten Jahrhunderts erstmals erklärt.

Kienberger und Kollegen schickten zunächst einen ultrakurzen ultravioletten Anregungslaserpuls von wenigen Attosekunden Dauer (10-18 Sekunden) auf das Atom. Gleichzeitig erzeugten sie einen zweiten infraroten Laserpuls, der rund vier Femtosekunden lang war (10-15 Sekunden). Sobald das Elektron durch die Anregung des ersten Lichtblitzes das Atom verlassen hatte, wurde es vom infraroten Laserpuls erfasst. Anhand winziger Geschwindigkeitsveränderungen dieses zweiten Pulses rechneten die Forscher auf die Verhältnisse im Heliumatom zurück – so exakt, dass sie das Geschehen bei der Photoemission bis auf 850 Zeptosekunden genau rekonstruieren konnten.

Das Heliumatom sei das einzige Mehrelektronensystem, das sich vollständig quantenmechanisch berechnen lasse, erläutern die Wissenschaftler. Dadurch gelang es ihnen, die quantenmechanische Beschreibung des Vorgangs und das Experiment unter einen Hut zu bringen. Man könne nun die komplette wellenmechanische Beschreibung des Systems aus wegfliegendem Elektron und Mutteratom ableiten, sagt Koautor Martin Schultze vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching.