Ferenc Krausz und sein Team vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching erforschen, wie sich Elektronen in Atomen verhalten, wie schnell sie ihre Umlaufbahn um den Kern wechseln und wie viel Energie sie dabei freisetzen.

Viele dieser Vorgänge sind kürzer als das Milliardstel einer Milliardstel Sekunde – eine Zahl mit 17 Nullstellen hinter dem Komma. Erst wenn man den Augenblick des Falterflügelschlags eine Million Mal unterteilt und diese Zeitspanne noch einmal in 100 Millionen Momente zerstückelt, gelangt man in die Welt der Attosekundenphysik, als deren Begründer Krausz gilt.

In diesem Kosmos der Quanten verlieren die Gesetze der Mechanik ihre Gültigkeit. Weit entfernte Objekte sind auf geisterhafte Weise miteinander verknüpft. Energieänderungen und Teilchenbewegungen erfolgen nur noch sprunghaft, nicht mehr kontinuierlich. Bewegung und Aufenthaltsort eines Teilchens lassen sich nicht gleichzeitig exakt bestimmen. Die Natur des Lichts, das Wellen- und Teilcheneigenschaften zugleich besitzt, steuert jenseits der Gesetze der Schwerkraft Phänomene, die längst noch nicht alle geklärt sind.

Wenn Elektronen springen

Eines der spannendsten Ereignisse im Quantenkosmos sind schnelle Elektronensprünge. Sie finden zum Beispiel statt, wenn Licht auf Atome trifft. Atome bestehen in ihrem Kern aus Protonen. Um sie herum kreisen die viel leichteren Elektronen. Das Licht gibt seine Energie an die Elektronen des Atoms ab, dabei werden sie auf eine höhere Umlaufbahn um das Atom gehoben. Beim Zurückfallen können die Elektronen wiederum selbst Energie aussenden. Die angeregten Elektronen bewegen sich in wenigen Attosekunden von einer Position im Atom zu einer anderen.

Um diese Vorgänge zu studieren, senden die Garchinger Physiker zwei Laserimpulse sehr kurz nacheinander aus. Der erste Blitz regt die Elektronen in einem Gas an, sodass sie sich bewegen. Der zweite Lichtstrahl beobachtet die Reaktion der Teilchen. Durch die Anregung geben die negativ geladenen Teilchen selbst wieder Energie ab.

Diese können die Physiker messen. Dadurch ziehen sie Rückschlüsse auf die Wanderwege der Teilchen. „Das Prinzip ist so ähnlich wie bei der Fotografie“, sagt Krausz. „Je kürzer die Verschlusszeit bei der Kamera ist, desto schärfer werden die Bilder, die man von einem Objekt erhält.“ Je kürzer also die Physiker die Pulse des Beobachtungs-Laserblitzes staffeln, desto schärfer werden die Darstellungen der rasenden Teilchen in der Quantenwelt.