Zeitmessung auf Quantenebene

«Das Konzept der Zeit beunruhigt Philosophen und Physiker schon seit Jahrtausenden, und mit dem Aufkommen der Quantenmechanik hat sich das Problem nicht vereinfacht», erklärt Hugo Dil, Physiker am Paul Scherrer Institut PSI und Titularprofessor an der ETH Lausanne EPFL. «Das zentrale Problem ist die allgemeine Rolle der Zeit in der Quantenmechanik, insbesondere die Zeitskala, auf der Quantenübergänge stattfinden.»

Quantenereignisse, wie das Tunneln oder die Zustandsänderung eines Elektrons bei der Absorption eines Photons, geschehen unfassbar schnell. Manche davon dauern nur einige zehn Attosekunden (10^-18 Sekunden), also weniger Zeit als Licht benötigt, um einen kleinen Virus zu passieren.

Die Messung so geringer Zeitabstände ist allerdings bekanntermassen schwierig, auch weil jedes externe Zeitmessgerät genau das verzerren kann, was eigentlich beobachtet werden soll. «Der Nobelpreis für Physik 2023 zeigt uns zwar, dass wir derart kurze Zeiträume erfassen können. Die Verwendung einer solchen externen Zeitskala birgt aber die Gefahr von Artefakten», sagt Dil. «Diese Herausforderung lässt sich durch Quanteninterferenztechniken lösen, die auf dem Zusammenhang zwischen akkumulierter Phase und Zeit beruhen.»

Messung der Quantenzeit ohne externe Uhr

Durch ihre Forschung haben Dil und seine Gruppe an der EPFL nun massgeblich an der Entwicklung eines Verfahrens mitgewirkt, mit dem sich die Zeit während eines Quantenereignisses genau bestimmen lässt. Elektronen, die ein Photon absorbieren und ein Material verlassen, transportieren Informationen in Form ihres Spins. Dieser verändert sich je nach Verlauf des zugrunde liegenden Quantenprozesses. Anhand dieser winzigen Veränderungen konnten die Forscher die Dauer des Übergangs bestimmen, ohne jemals auf eine externe Uhr zurückzugreifen.

Der Erstautor der Studie, Fei Guo, erklärt: «Diese Experimente benötigen keinen externen Bezugsrahmen, keine Uhr, und liefern den Zeitraum, innerhalb dessen sich die Wellenfunktion des Elektrons nach der Absorption eines Photons von ihrem Anfangszustand bis zu einem Endzustand mit höherer Energie entwickelt.»

Der Grundsatz: Wird ein Elektron durch Licht angeregt, kann es gleichzeitig mehrere unterschiedliche Quantenpfade durchlaufen. Diese Pfade überlagern sich und drücken sich im Spin des austretenden Elektrons als spezifisches Interferenzmuster aus. Das Team untersuchte die Veränderungen des Spinmusters in Abhängigkeit von der Energie des Elektrons und konnte so die Dauer des entsprechenden Übergangs berechnen.

Untersuchung von Quantenübergängen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS

Für ihre Studie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI nutzten die Forschenden die sogenannte «spin- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie», kurz SARPES (Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy). Bei diesem Verfahren wird ein Material mit intensivem Synchrotronlicht bestrahlt. Das Licht hebt die Elektronen auf ein höheres Energieniveau und zwingt sie damit, die Struktur des Materials zu verlassen. Anschliessend werden die Energie, die Austrittsrichtung und der Spin der freigesetzten Elektronen gemessen. Die Technik kann dank eines hochmodernen Versuchsaufbaus an der Strahllinie SIS der SLS durchgeführt werden.

Die «Form» der getesteten Stoffe unterschied sich auf atomarer Ebene. Einige, wie beispielsweise gewöhnliches Kupfer, sind komplett dreidimensional. Andere, wie Titandiselenid (TiSe₂) und Titanditellurid (TiTe₂), bestehen aus schwach miteinander verbundenen Schichten und verhalten sich eher wie flache Platten. Kupfertellurid (CuTe) hat eine noch einfachere, kettenartige Struktur. Aufgrund dieser Unterschiede sind die Stoffe ideal geeignet, um die Auswirkungen der Geometrie auf das zeitliche Verhalten zu untersuchen.

Einfachere Materialstruktur, längere Quantenübergänge

Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster: Je einfacher und reduzierter die Materialstruktur, desto länger dauerte der Quantenübergang. Bei gewöhnlichem, dreidimensionalem Kupfer fand der Übergang extrem schnell statt – er dauerte etwa 26 Attosekunden.

Bei den beiden schichtförmigen Stoffen TiSe₂ und TiTe₂ verlangsamte sich der Vorgang merklich auf etwa 140 bis 175 Attosekunden. Und beim CuTe mit seiner kettenförmigen Struktur erstreckte sich der Übergang sogar über mehr als 200 Attosekunden. Daraus folgt, dass die «Form» des Materials auf atomarer Ebene einen starken Einfluss darauf hat, wie schnell das Quantenereignis abläuft. Strukturen mit geringerer Symmetrie führen demnach zu längeren Übergangszeiten.

Die Zeit in der Quantenmechanik muss neu gedacht werden

Dil erklärt, welche Konsequenzen sich daraus ergeben: «Unsere experimentellen Ergebnisse liefern nicht nur grundlegende Informationen, um besser verstehen zu können, wodurch die zeitliche Verzögerung während der Photoemission zustande kommt. Sie geben auch Aufschluss darüber, welche Faktoren die Zeit auf der Quantenebene beeinflussen und inwieweit Quantenübergänge als instantan, also verzögerungsfrei, betrachtet werden können. Und sie könnten den Weg ebnen, um die Rolle der Zeit in der Quantenmechanik endlich besser zu verstehen.»

Durch diese Erkenntnisse erhalten Physiker ein neues Mittel, um besser zu verstehen, wie sich die Zeit in Quantenprozessen verhält. Zudem erhalten sie ein Instrument, mit dem sich untersuchen lässt, wie Elektronen in komplexen Materialien miteinander interagieren. Wenn Wissenschaftler die Dauer eines Quantenübergangs kennen, hilft ihnen das bei der Entwicklung von Materialien mit spezifischen quantenmechanischen Eigenschaften und bei der Verbesserung künftiger Technologien, die auf einer präzisen Kontrolle von Quantenzuständen beruhen.