Kürzeste je gemessene Zeitspanne 0,000000000000000007 Sekunden

Sprinter kämpfen um Hundertstelsekunden, bayerische Forscher sind schon 16 Nachkommastellen weiter. Sie haben nun die kürzeste, je registrierte Zeitspanne gestoppt.

Wenig bringt ein Elektron so in Wallung wie Licht. Wird das negativ geladene Elementarteilchen von einem Lichtstrahl getroffen, kann es aus der Atomhülle katapultiert werden. Das Phänomen nennt man photoelektrischen Effekt . Albert Einstein hat den Effekt bereits 1905 erklärt und bekam dafür den Nobelpreis.

Seitdem ist bekannt, dass das Ganze verdammt schnell vonstattengeht. Doch wie schnell genau, das wusste bisher niemand. Laserphysikern vom Max Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (Bayern) ist es nun gelungen, die Zeit zu stoppen.

"Das ist wie mit einem springenden Tennisball"

"Das ist in etwa so, als wolle man einen springenden Tennisball fotografieren. Nur viel kleiner und viel, viel schneller", erklärt Martin Schultze. Er hat an der Studie mitgearbeitet, die nun im Fachblatt "Nature Physics" veröffentlicht wurde . Soll der Tennisball auf dem Foto nicht verschwommen sein, brauche man eine Kamera mit extrem kurzen Verschlusszeiten, so Schultze. "In der Physik benutzen wir kurze Laserblitze als Lichtquelle, um kurze Verschlusszeiten zu erreichen."

Die Forscher schossen extrem kurze ultraviolette Laserimpulse auf Heliumatome. Treffen die Lichtteilchen - die Photonen -, auf ein Elektron im Heliumatom, wird es herausgeschleudert. Ein zweiter Laserimpuls konnte das Elektron sofort aufspüren, wenn es die Atomhülle verließ.

Auf 19 Nachkommastellen genau

Dadurch konnten die Forscher auf 0,85 Attosekunden genau messen, wie lange das Elektron braucht, um die Atomhülle zu verlassen. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde oder: 0,000000000000000001 Sekunden.

Das Elektron braucht zwischen 7 und 20 Attosekunden, um die Atomhülle zu durchqueren. Die Geschwindigkeit hängt davon ab, inwieweit die Elektronen untereinander und mit dem Atomkern interagieren.

"Eine so hohe Präzision ist bisher bei keiner Zeitmessung erreicht worden", erklärt Martin Schultze. Er und sein Team erhoffen sich nun neue Erkenntnisse über den Mikrokosmos. "Je besser wir die Vorgänge auf Atomebene messen können, umso besser wird unser Verständnis der Atomphysik und der Wechselwirkung einzelner Elektronen", so Schultze.

"Bisher haben wir die Anzahl der Elektronen eines Atoms vereinfachend als Kollektiv behandelt. Wenn wir Atome aber genau verstehen wollen, müssen wir wissen, wie die einzelnen Elektronen miteinander interagieren". Bei den Messungen handelt es sich vor allem um Grundlagenforschung, die aber auch praktischen Nutzen haben kann, etwa bei der Entwicklung von Quantencomputern und Supraleitern.

Aktuelle Vorschläge zur Entwicklung von Quantencomputern erfordern extreme Kühlung oder die Beschränkung auf wenige aktive Atome im Kern des Quantencomputers, um störende Wechselwirkungen der Elektronen zu verlangsamen. "Mit unserer Messtechnik könnten wir schneller sein als diese störenden Prozesse", sagt Schultze. Dann könnten Quantencomputer womöglich ohne Extremkühlung funktionieren. "Aber bis dahin muss noch viel geforscht werden."

koe