Licht verhält sich mal wie eine elektromagnetische Welle, mal wie ein Schauer aus masselosen Teilchen, sogenannten Photonen, je nachdem, unter welchen Bedingungen es untersucht oder verwendet wird. Materie wiederum besteht zwar aus Partikeln, kann aber dennoch Welleneigenschaften aufweisen, die zu überraschenden Phänomenen im Mikrokosmos führen.

 

An unserem Institut untersuchen wir die Wechselwirkung von Licht mit Quantensystemen und erkunden dabei Bereiche, in denen sich Licht und Materie sowohl als Welle als auch als Teilchen manifestieren. So experimentieren wir auf der einen Seite mit Licht aus einzelnen Photonen, das ganz andere Interferenz-Eigenschaften hat als ein intensiver Lichtstrahl. Kühlen wir auf der anderen Seite Ensembles von Materieteilchen, die Masse haben, auf extrem tiefe Temperaturen ab, dann beobachten wir plötzlich Phänomene, die auf die Wellennatur der Teilchen zurückgehen. Verwenden wir schließlich extrem kurze und hochintensive Lichtpulse, die Billiarden von Photonen enthalten, dann spielt die Teilchennatur des Lichtes keine Rolle mehr. Wir nutzen die großen elektromagnetischen Lichtfelder, um die Bewegung von Elektronen in Molekülen zu steuern oder um Elektronen auf relativistische Energien zu beschleunigen.

 

Unter diesen Gesichtspunkten lässt sich die Forschung am MPQ vier Schwerpunkten zuordnen:

 

• Hochpräzise Spektroskopie von Wasserstoff

Aufgrund seiner einfachen Struktur ist das Wasserstoffatom das ideale Testobjekt für die Quantenelektrodynamik, die die Wechselwirkung von Licht und Materie theoretisch beschreibt. Im Rahmen der spektroskopischen Untersuchungen wurde die Frequenzkammtechnik entwickelt, für die Prof. T.W. Hänsch mit dem Nobelpreis für Physik 2005 ausgezeichnet wurde. Mit einer Genauigkeit von 14 Stellen hinter dem Komma können die Spektrallinien heute bestimmt werden, bislang in Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen. Mit dem Ziel, die grundlegenden physikalischen Gesetze noch genauer zu überprüfen, dehnt die Abteilung von Prof. Hänsch diese Untersuchungen jetzt auch auf Anti-Wasserstoff, myonischen Wasserstoff und andere wasserstoffähnliche Elemente aus.

 

• Experimente mit einzelnen Photonen und einzelnen Atomen

Ein Kubikzentimeter Luft enthält etwa 10²⁰ Atome, und etwa 10²⁰ Photonen (Lichtquanten) werden in der Sekunde von einer Glühbirne ausgestrahlt. Am MPQ aber gelingt es, mit einzelnen Photonen und einzelnen Atomen zu experimentieren und deren Wechselwirkung untereinander zu kontrollieren. Solche Experimente sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Quantencomputer oder einem Quantennetzwerk, in denen Quantenteilchen (z. B. Atome, Moleküle oder Photonen) als Quantenbits zum Speichern und Übertragen von Quanteninformation dienen. Gleichzeitig entwerfen Theoretiker am MPQ neue Konzepte, um Quantencomputer und Kommunikationsgeräte zu verwirklichen, die Informationen besonders sicher und effektiv verarbeiten und übertragen. Sie sind zudem sehr aktiv an der Formulierung einer neuen Informationstheorie beteiligt, auf der die Funktionsweise zukünftiger Geräte zur Verarbeitung und Übertragung von Quanteninformation beruhen könnte.

 

• Materie bei extrem niedrigen Temperaturen

Systeme aus vielen Quantenteilchen können bei extrem tiefen Temperaturen (etwa ein Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt) bizarre Eigenschaften annehmen, die auf die Wellennatur der Teilchen zurückgehen. So können sich die Teilchen alle zusammen wie ein riesiges Superatom verhalten, das so überraschende Eigenschaften wie Suprafluidität oder makroskopische Interferenz zeigt. Diese und andere exotische Eigenschaften sind von fundamentalem Interesse für das Verständnis der Quantenphysik. Die Wissenschaftler am MPQ betrachten diese Systeme auch als potentielle Speicher für Quanteninformationen oder als Modell für Vielteilchensysteme in anderen Gebieten der Physik, z.B. der Festkörperphysik. Daneben entwickeln sie auch neue theoretische Werkzeuge, um solche komplexen Systeme zu beschreiben.

 

• Experimente auf extrem kurzen Zeitskalen

Die Wechselwirkung von Elektronen miteinander oder mit Licht in Materie vollzieht sich innerhalb von Attosekunden – das sind Milliardstel von einer Milliardstel Sekunde. Diese unvorstellbar kleine Zeitdauer verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums! MPQ-Wissenschaftlern gelang es erstmals, intensive Laserpulse, bei denen die Form des elektrischen Feldes mit Attosekunde-Präzision kontrolliert ist, sowie extrem ultraviolette Lichtblitze mit Attosekunden-Dauer zu erzeugen und zu messen. Sie nutzen diese neuartigen Werkzeuge, um die Bewegung von Elektronen auf atomarer Skala zu steuern und in Echtzeit zu beobachten, und zwar in allen auftretenden Formen von Materie: in Atomen, Molekülen und Clustern sowie in Festkörpern und Plasmen. Bei extrem hohen Laserintensitäten beschleunigen MPQ-Wissenschaftler Elektronen und Ionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Sie verfolgen damit das Ziel, kompakte brillante Teilchenquellen für Anwendungen in der Physik, der Biologie und der Medizin zu entwickeln.

 

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