Ein Schnappschuss des Inneren eines Atoms

Sprechen Sie über einen harten Schuss. Zum ersten Mal ist es den Physikern gelungen, die Quantenfunktionen von Elektronen in Wasserstoffatomen abzubilden - ein Fortschritt, der die Tür zu einem tieferen Verständnis der Quantenwelt öffnen könnte.

Ein Bild vom Inneren eines Atoms zu machen - die Elektronen, die Protonen, die Neutronen - ist keine leichte Aufgabe. Die Quantenmechanik macht es praktisch unmöglich, diese subatomaren Teilchen zu lokalisieren. Anstatt zu beschreiben, wo sich ein Teilchen befindet, liefert die Quantentheorie eine Beschreibung seines Aufenthaltsorts, die als Wellenfunktion bezeichnet wird. Wellenfunktionen funktionieren wie Schallwellen, nur dass die mathematische Beschreibung einer Schallwelle die Bewegung von Molekülen in der Luft an einem bestimmten Ort definiert, während eine Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit beschreibt, das Teilchen zu finden.

Physiker können theoretisch vorhersagen, wie eine Wellenfunktion ist, aber die Messung einer Wellenfunktion ist sehr schwierig, weil sie äußerst zerbrechlich sind. In einem anderen Moment der Quantenverrücktheit zerstören die meisten Versuche, Wellenfunktionen direkt zu beobachten, sie tatsächlich in einem als Kollaps bezeichneten Prozess. Um die Eigenschaften einer Wellenfunktion experimentell zu messen, müssen Forscher sie aus vielen separaten destruktiven Messungen an identisch hergestellten Atomen oder Molekülen rekonstruieren.

Physiker bei AMOLF, einem Labor der niederländischen Stiftung für Grundlagenforschung über Materie (FOM) in Amsterdam, haben in einem Artikel, der diese Woche in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, einen neuen zerstörungsfreien Ansatz demonstriert . Aufbauend auf einem Vorschlag von 1981 von drei russischen Theoretikern und einer neueren Arbeit, die diesen Vorschlag in die Realität umsetzte, feuerte das Team zunächst zwei Laser auf Wasserstoffatome in einer Kammer und startete Elektronen mit Geschwindigkeiten und Richtungen, die von den zugrunde liegenden Wellenfunktionen abhingen . Ein starkes elektrisches Feld in der Kammer führte die Elektronen zu Positionen auf einem planaren Detektor, die eher von ihren Anfangsgeschwindigkeiten als von ihren Ausgangspositionen abhingen. Die Verteilung der auf den Detektor auftreffenden Elektronen stimmte also mit der Wellenfunktion überein, die die Elektronen hatten, als sie ihre Wasserstoffkerne zurückließen. Das Gerät zeigt die Elektronenverteilung auf einem phosphoreszierenden Bildschirm als helle und dunkle Ringe an, die das Team mit einer hochauflösenden Digitalkamera fotografiert hat.

"Wir sind sehr zufrieden mit unseren Ergebnissen", sagt Teamleiterin Aneta Stodolna und merkt an, dass die Quantenmechanik zwar Teil des täglichen Lebens für Physiker ist, aber nur selten so viszeral verstanden wird. Sie sagt, dass es in Zukunft praktische Anwendungen geben könnte - ein Kommentar, der dem Artikel beigefügt ist, legt nahe, dass die Methode die Entwicklung von Technologien wie molekularen Drähten und atomdicken Leitern unterstützen könnte, die helfen könnten, elektronische Geräte zu verkleinern -, aber das Ihr Ergebnis betrifft "extrem grundlegende" Physik, die für die Entwicklung der Quantenintuition in der nächsten Generation von Physikern ebenso wertvoll sein könnte.

"Es ist ein interessantes Experiment, vor allem, weil es sich mit Wasserstoff befasst", ein Element, das sowohl ein Lehrbuchbeispiel für den Physikunterricht ist als auch drei Viertel des Universums ausmacht, sagt Jeff Lundeen, ein Physiker an der Universität von Ottawa in Kanada führte verwandte Experimente mit Photonenwellenfunktionen durch. Laut Lundeen hat das Team von Stodolna "im Grunde genommen eine neue Technik" zur Beobachtung von Wellenfunktionen entwickelt, obwohl noch nicht klar ist, ob es sich um kompliziertere Atome handelt, die Physiker weniger gut verstehen als Wasserstoff. "Wenn es ziemlich universell ist, dann wäre es ein sehr nützliches Werkzeug", um diese Atome im Labor zu untersuchen und das Verständnis der Physiker für die der chemischen Reaktion und der Nanotechnologie zugrunde liegende Atomphysik zu verbessern.