Forscher aus Hannover veröffentlichen Paper in Science

Internationale Arbeitsgruppe entwickelt Anwendung für das Feynman Integral

Es gibt Theorien, die sind zwar einleuchtend, aber haben einen Schönheitsfehler – es gibt nicht die rechte Anwendung für sie. Eine Vertreterin dieser Art ist das Feynman Integral – eine Theorie in der Quantenmechanik, die Richard Feynman Ende der 40er Jahre aufgestellt hat. Bei dieser Theorie geht es um grundsätzliche Fragen der Elementarteilchen, Atom- und Molekülforschung, die vor 100 Jahren mit der Entwicklung der Quantentheorie revolutioniert wurde, und damit letztlich um die Frage, wie sich die Mikrostruktur von Atomen und Molekülen unter verschiedenen Bedingungen verändert. Eine dieser sich verändernden Bedingungen kann die Zuführung von Energie sein – dann verändern die Elektronen, die um den Atomkern kreisen, ihre Bahn. Um die unendlich vielen Wege – oder genauer die Wahrscheinlichkeit der Wege aus ihrer Summe – zu berechnen, entwickelte Feynman seine Theorie.

"Eine schöne Erfindung der Theoretiker", sagen Prof. Maciej Lewenstein und Dr. Anna Sanpera vom Institut für theoretische Physik, zwei der Initiatoren der Arbeitsgruppe, die nun ihre Ergebnisse in "Science" veröffentlicht. Denn das Feynman Integral hat bislang wenig Anwendung gefunden – abgesehen von der Quantenfeldtheorie.

Nun ist es der Forschergruppe gelungen, eine experimentelle Anwendung für dieses Integral in der atomaren Physik zu entwickeln. Dabei haben Experimentalphysiker des Centre d’Etudes des Saclay in Frankreich und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching sowie Theoretiker des Max-Born-Instituts in Berlin und der Universität Hannover zusammengearbeitet. "Bei diesen Experimenten wurden Atome starken Laserstrahlen ausgesetzt", erklärt Prof. Lewenstein. Die Elektronen, die den Atomkern umkreisen, verändern ihre Bewegungen.

Die Theoretiker in der Gruppe haben nun das Feyman-Integral so verändert, dass aus den unendlich vielen Wegen, die das Elektron nehmen kann, eine endliche Zahl wird. Auf diesen "relevanten" Wegen wird die Entfernung zwischen Kern und Elektron erst größer; das Elektron wird im Laserfeld beschleunigt. Dann kehrt das Elektron zurück zum Kern, wo es entweder auf den Kern prallt oder am Kern gestreut wird. Im ersten Fall emittiert das System Licht. Dieses Licht hat Frequenzen, die Vielfache der Laserfrequenz sind. Dieser Prozess wird daher auch Erzeugung des Harmonischen genannt. Im zweiten Fall (Streuung) entfernt sich das Elektron vom Kern, und das Atom wird ionisiert. Diesen Prozess nennt man Ionisierung oberhalb der Schwelle, weil die Elektronen dabei sehr hohe kinetische Energien ("oberhalb der Schwelle") erreichen können.

"Das ist für die Krönung einer jahrelangen Arbeit", sagt Professor Lewenstein – die nun mit der Veröffentlichung in Science auch in der Öffentlichkeit gewürdigt wird.