Gemeinsamer Tanz der Elektronen

Das Zauberwort lautet «Röntgen-Vierwellenmischung». Das neu entdeckte Verfahren eröffnet Wege, um den Fluss von Energie und Informationen in Atomen und Molekülen zu beobachten, wie das Paul-Scherrer-Institut (PSI) in einem Communiqué mitteilt. Die Methode könne aufzeigen, wie Quanteninformationen gespeichert werden und verloren gehen, und so langfristig zur Verbesserung der Fehlertoleranz in der Quantentechnologie beitragen.

Doch worum geht es genau? «Wie sich Materie verhält, lässt sich grösstenteils nicht auf das Verhalten einzelner Elektronen zurückführen, sondern vielmehr darauf, wie sie sich gegenseitig beeinflussen», erläutert das PSI in der Mitteilung. «Von chemischen Systemen bis hin zu hoch entwickelten Materialien – die Wechselwirkung zwischen den Elektronen bestimmt, wie sich Moleküle neu anordnen, wie Materialien leiten oder isolieren und wie Energie transportiert wird.»

In vielen Quantensystemen würden Informationen in empfindlichen Mustern solcher Wechselwirkungen gespeichert. Würden diese Muster verloren gehen, verschwänden auch die Informationen – ein Vorgang, der als Dekohärenz bezeichnet wird. «Solche kurzlebigen Zustände zu verstehen und letztendlich kontrollieren zu können, gehört zu den grössten Herausforderungen der heutigen Quantentechnologie», so das PSI. Zwar gebe es viele Techniken, mit denen sich das Verhalten einzelner Elektronen untersuchen lässt, doch für die erwähnten Wechselwirkungen sei die Forschung bisher weitgehend blind gewesen.

Einblicke in Quantenphänomene
Dass die Forschenden des PSI und der Eidge­nössischen Technischen Hochschule Lausanne gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Deutschland und der Univer­sität Bern am Schweizer Freie-Elek­tronen-Röntgenlaser (Swiss FEL) des PSI nun das Verfahren entwickelt haben, das als Röntgen-Vierwellenmischung bezeichnet wird, ist bedeutend. «Wir erfahren bei dem Verfahren, wie die Elektronen miteinander tanzen – ob sie sich an den ­Händen halten oder ob sie alleine tanzen», sagt Gregor Knopp vom Zen­trum für Photonenforschung des PSI und Leiter der Studie. «Das eröffnet neue Einblicke in Quantenphänomene und kann unser Verständnis der Ma­terie verändern.»

Vom Konzept her ähnle die Röntgen-Vierwellenmischung der Kernspinresonanz, die heute routinemässig in Krankenhäusern für MRT-­Untersuchungen eingesetzt wird. «Andere Verfahren bieten Aufschluss darüber, wie Atome oder Moleküle insgesamt miteinander oder mit ihrer Umgebung interagieren. Mit Röntgenlicht können wir nun bis zu den Elektronen heranzoomen», sagt Ana Sofia Morillo Candas, die Erstautorin der Studie zum Thema, in der Mitteilung. 

Diese Fähigkeit, die Wechselwirkung zwischen einzelnen Elektronen heranzuzoomen und sie gezielt zu untersuchen, eröffne die Möglichkeit völlig neuer Einblicke nicht nur in Quanteninformationen, sondern auch in viele andere Bereiche – etwa biologische Moleküle oder Materialien für Solarzellen und Batterien, sagt Candas zur Einordnung des neu entdeckten Verfahrens.