Ein Forschungsteam der Universität Uppsala in Schweden hat kürzlich eine neue Methode zur Zeitmessung vorgeschlagen. Das größte Merkmal besteht darin, dass der Startzeitpunkt des Ereignisses im Experiment nicht im Voraus bekannt sein muss, was im herkömmlichen Sinne der „Nullpunkt der Zeit“ ist. Diese Methode basiert auf dem Quantenentwicklungsverhalten von Heliumatomen in einem stark angeregten Zustand. Durch die Analyse seines charakteristischen „Fingerabdrucks“, der sich nach der Bestrahlung mit Kurzpulslicht mit der Zeit verändert, kann er direkt die verstrichene Zeitspanne ablesen und stellt so ein neues Zeitskalentool für ultraschnelle physikalische und chemische Prozesse bereit, bei denen der Startzeitpunkt nicht genau bestimmt werden kann.
In dieser Arbeit regten die Forscher zunächst mit kurzen Lichtimpulsen Heliumatome in eine Reihe sogenannter Rydberg-Zustände an und versetzten die Atome in einen Quanten-„Überlagerungszustand“, in dem mehrere Rydberg-Zustände überlagert sind. Der Rydberg-Zustand ist eine Art angeregter Atomzustand mit extrem hoher Energie und Elektronen weit entfernt vom Kern. Es reagiert äußerst empfindlich auf die Umwelt. Quantenüberlagerung bedeutet, dass Atome gleichzeitig in mehreren Quantenzuständen existieren und ihre Gesamtentwicklung im Laufe der Zeit eine komplexe Wellenpaketstruktur bilden wird. Die traditionelle Methode besteht darin, die Zeit ab dem Moment der Anregung genau zu messen. Der Ausgangspunkt dieser Studie besteht jedoch darin, nach einer bestimmten Zeit einen zweiten Lichtimpuls anzulegen, die Wahrscheinlichkeit zu messen, dass die Heliumatome ionisiert sind, das heißt, dass sie Elektronen verlieren und zu geladenen Ionen werden, und diese Messergebnisse dann mit dem theoretischen Modell zu vergleichen, um die Zeit abzuleiten, die seit der Bildung des Rydberg-Zustands vergangen ist.
Johan Söderström, der Leiter des Forschungsteams, vergleicht diesen Vorgang anschaulich mit dem „Ablesen eines Maßbandes“: Man muss nicht sehen, wie jemand anfängt, den Abstand von der Nullmarke zu messen. Schauen Sie sich einfach den aktuellen Messwert an und Sie können erkennen, ob der Entfernungsunterschied zum Startpunkt 5 Zentimeter oder 4000 Meter beträgt. Bei dieser Methode entwickelt sich die Überlagerung der Rydberg-Zustände von Heliumatomen im Laufe der Zeit und hinterlässt ein einzigartiges Änderungsmuster auf den Observablen – den sogenannten Zeit-„Fingerabdruck“, der der Projektion der Entwicklung von Quantenwellenpaketen im Beobachtungsraum entspricht. Durch die Analyse dieses Fingerabdrucks und den Abgleich mit theoretischen Berechnungen können Forscher durch einfache Beobachtung innerhalb eines begrenzten Zeitfensters direkt den konkreten „Zeitabstand“ von der Entstehung des Wellenpakets bis zum Zeitpunkt der Beobachtung ermitteln.
Die Arbeit weist darauf hin, dass dieser Quantenfingerabdruck selbst auch eine „Selbstprüffunktion“ hat: Die detaillierte Struktur des sich über die Zeit entwickelnden Wellenpakets sorgt für eine interne Konsistenzprüfung für die entsprechende Zeitskala und verbessert so die Zuverlässigkeit der Messergebnisse. In Bezug auf spezifische Experimente kombinierte das Team theoretische Simulation und zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie-Technologie, also die Verwendung von zwei Lichtimpulsstrahlen mit genau kontrollierten Zeitintervallen. Ein Strahl wird verwendet, um Heliumatome anzuregen, um Wellenpakete im Rydberg-Zustand zu bilden, und der andere Strahl wird verwendet, um Elektronen herauszuschlagen und die Entwicklung des Photoelektronensignals über die Zeit aufzuzeichnen. Die experimentellen Ergebnisse stimmen in hohem Maße mit theoretischen Vorhersagen überein, was darauf hindeutet, dass diese Methode nicht nur Zeitinformationen erhalten, sondern auch subtile Energieunterschiede wie „Quantendefekte“ im Rydberg-Zustand von Heliumatomen ableiten und so dazu beitragen kann, das Verständnis der Atomstruktur zu vertiefen.
Die Forscher nutzten erneut die Analogie eines Maßbandes: Bei der Messung kurzer Entfernungen muss nur ein kleiner Teil des Maßbands abgelesen werden, während bei der Messung großer Entfernungen ein größerer Skalenbereich erforderlich ist. Liegt das Ereignis entsprechend der Zeitmessung sehr nahe am „unbekannten Startpunkt“, genügt die Beobachtung der Fingerabdrücke in einem kürzeren Zeitintervall, um die Zeit wiederherzustellen; Für Entwicklungen, die weiter vom Ausgangspunkt entfernt sind, müssen Fingerabdrücke über einen längeren Zeitraum aufgezeichnet werden, um sicherzustellen, dass die richtige Zeitskala übereinstimmt. Daher handelt es sich bei dieser Methode nicht um einen einzelnen statischen Messprozess, sondern sie passt die erforderliche Datenmenge dynamisch an die zu messende Zeitdauer an und bietet so eine flexible Quanten-Timing-Lösung für Experimente auf unterschiedlichen Zeitskalen.
Es ist erwähnenswert, dass die meisten experimentellen Arbeiten für diese Studie in der HELIOS-Einrichtung des Ångström-Labors während der Coronavirus-Pandemie und im Zusammenhang mit der vorübergehenden Schließung einiger Einrichtungen an der Universität Uppsala durchgeführt wurden. In einer relativ geschlossenen Umgebung konnte sich das Team darauf konzentrieren, die experimentelle Zeit zu nutzen, um die Zeitfingerabdruckmethode wiederholt zu überprüfen und zu optimieren. Nachdem die Forscher zunächst bewiesen hatten, dass die Methode machbar ist, schlugen sie außerdem vor, diese Methode in Zukunft voraussichtlich auf molekulare Systeme auszuweiten, um beispielsweise den molekularen Dissoziationsprozess und seine Auswirkungen auf den Rydberg-Zustand zu untersuchen und die universelle Anwendbarkeit dieser Technologie in komplexeren physikalischen Systemen zu bewerten.
Obwohl dieser neue Ansatz konzeptionell in der Lage ist, eine absolute Zeitskala bereitzustellen, ist er nicht dazu gedacht, die traditionellen Uhren des täglichen Lebens zu ersetzen. Das Forschungsteam machte deutlich, dass es sich besser als spezielles Werkzeug in Pump-Probe-Spektroskopie-Experimenten für Szenarien eignet, in denen schnelle Prozessentwicklungen mit extrem kurzer Zeitauflösung beobachtet werden müssen. Bei solchen Experimenten löst der erste Puls den Vorgang aus und der zweite Puls sorgt für die Erstellung eines „Zeitschnappschusses“. Der Startzeitpunkt lässt sich jedoch oft nur schwer genau definieren oder sogar direkt beobachten. Es wird erwartet, dass dieser Satz von Quantenfingerabdruckmethoden eine absolute Zeitskala für diese schnellen Prozesse liefert, ohne zunächst den „Zeitnullpunkt“ zu bestimmen.
Aus einer breiteren Perspektive liefert diese Forschung eine neue Idee für die Zeitmessung unter der Bedingung „keine Startpunktinformationen“, d. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Methode nicht für alle Arten von Zeitmessungen geeignet ist, sie sich jedoch zu einem äußerst präzisen und ergänzenden Werkzeug mit einzigartigen Vorteilen in experimentellen Bereichen entwickeln kann, in denen es für bestehende Technologien schwierig ist, den Startzeitpunkt genau festzulegen, oder bei der Untersuchung ultraschneller Prozesse innerhalb von Atomen und Molekülen. Relevante Ergebnisse wurden in Fachzeitschriften veröffentlicht und erregten die Aufmerksamkeit von Institutionen wie der Universität Uppsala und der American Physical Society. Es gilt als wichtige Erkundung auf dem Forschungsweg der Quantenzeitmessung.