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© Frank Preußen
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Sonderforschungsbereich 1242 Eine Geschichte der kurzen Zeit

[30.08.2021]

Was passiert in einem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde in der Welt der Atome und Moleküle? Das erforscht der Sonderforschungsbereich 1242 – und macht das unvorstellbar Schnelle sogar sichtbar für das menschliche Auge.

21 … 22 … Wer die Dauer einer Sekunde abschätzen möchte, kann sich bequem eines Tricks bedienen. Im normalen Sprechtempo geben wir vier Silben in etwa einer Sekunde wieder. Im Alltag mag das oft völlig ausreichend sein – anders sieht es aus in der Welt der Forschung. Hier sind deutlich genauere Zeiten wichtig, und es kann auf Sekundenbruchteile ankommen. Aber was ist eine Sekunde?

Als man noch von einer gleichmäßigen Rotation der Erde um die eigene Achse ausging, war eine Sekunde der sechzigste Teil einer Minute, eine Minute wiederum der sechzigste Teil einer Stunde, und damals wie heute hat der Tag 24 Stunden. Um 1885 konnte Karl Friedrich Küstner an der Bonner Sternwarte aber zeigen, dass die Erde sich nicht gleichmäßig bewegt, sondern um die Pole herum leicht eiert. Das klingt nicht nach viel, hat aber doch Einfluss auf unser Leben. Durch diese Polschwankungen dauert ein mittlerer Tag auf der Erde nicht genau 24 Stunden, sondern 23 Stunden, 56 Minuten und 4,0989 Sekunden. Deshalb gibt es die regelmäßigen Schaltjahre und Schaltsekunden, die wir durchführen, um im Takt mit unserem Planeten zu bleiben.

Seit 1967 ist die Länge einer Sekunde genauestens festgelegt: Sie beruht auf der Periodendauer eines festgelegten atomaren Übergangs des 133 Cäsiumatoms. Die Wahl fiel auf dieses Element, weil der Übergang zwischen seinen Grundzuständen mit den damaligen elektronischen Geräten messbar war – obwohl der Prozess in der Sekunde genau 9.192.631.770-mal abläuft.

In der Physik wird Zeit als gerichtete Größe betrachtet – das heißt, sie schreitet voran von der Geburt des Universums bis in unsere jetzige Zeit. Die Forschenden des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1242 gehen verschiedenen zeitlichen Veränderungen auf den Grund. Sie betrachten dabei kondensierte Materie, also grundsätzlich alle stofflichen Materialien, die uns umgeben. Besonders spannend werden die Forschungsobjekte an dem Punkt, an dem sie aus dem Gleichgewicht geraten und ihren Ruhezustand verlassen. So lässt sich auch der Name des SFB verstehen: Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne.

Es entsteht eine Art Daumenkino: Eine Abfolge von rasendschnellen Ereignissen lässt sich in Zeitlupe beobachten und ­­sogar vor- und zurückspulen.­

Was sich hinter dem Begriff der Zeitdomäne verbirgt, erklärt Professor Uwe Bovensiepen, Sprecher und wissenschaftlicher Leiter: „Physikalische Phänomene lassen sich unter verschiedenen Aspekten betrachten. Wenn Sie zum Beispiel an Licht denken, das durch ein Prisma fällt und sich farblich auffächert, dann betrachten Sie die Spektraldomäne, also eine Abhängigkeit der Lichtfarbe von der Wellenlänge.“

Der Bereich, den die Physiker:innen des SFB betrachten, ist ein anderer, wie der Wissenschaftler weiter erklärt: „Wir beobachten in der Zeitdomäne. Das erfordert technische Kniffe und ausgereiftere Werkzeuge. Wir nutzen einen Effekt, den alle Menschen aus dem realen Leben kennen: den Doppler-Effekt: Der entsteht, wenn man einen Rettungswagen mit Martinshorn auf sich zufahren hört. Die Frequenz und damit das Geräusch ändert sich beim Näherkommen und Vorbeifahren. Das gibt es auch im Kleinen bei der Beobachtung von einzelnen Atomen in der Luft.“

Im Sonderforschungsbereich werden beispielsweise Atome und ihr Zusammenspiel in festen Körpern untersucht. Dazu werden Elektronen angeregt, aus dem Gleichgewicht gebracht, und es wird geschaut, wie sie sich bei der Rückkehr in den Ausgangszustand verhalten. Die Ausbreitung solcher Anregungen und die Kopplung mit anderen Atomen führen hier zu spannenden Phänomenen. So kann sich etwa Licht verstärken, oder es gibt Strukturumwandlungen beispielsweise von ungeordneten zu geordneten Strukturen.

Eine wichtige Rolle in der Forschung spielen Festkörperlaser, deren Pulse extrem genau gesteuert werden können. Viele der durchgeführten Experimente sind sogenannte Anregungs-Abfrage-­Experimente (Pump-Probe im Englischen). Ein erster Laserpuls regt ein Teilchen an, ein zweiter, präzise getaktet, fragt das Ergebnis ab. Die Abstände zwischen den beiden Pulsen können extrem genau reguliert und verändert werden.
Doktorand Oscar Naranjo begutachtet einen Laseraufbau.

Das Ergebnis ist immer eine Momentaufnahme. Wird das Experiment so wieder und wieder durchgeführt und der zweite Laserpuls jedes Mal einen Moment später gesetzt, entsteht eine ganze Serie dieser Schnappschüsse. Ähnlich einem Sportfotografen, der bei den olympischen Spielen den Siegersprung in vielen hundert Einzelbildern nachvollziehen kann, kommt auch für die Wissenschaftler:innen eine Art Daumenkino zustande. Eine Abfolge von Ereignissen, die eigentlich rasendschnell erfolgt, lässt sich so in Zeitlupe beobachten und sogar vor- und zurückspulen.

„Unsere Forschung findet im Femto- oder Attosekunden-Bereich statt. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde, das ist fast unvorstellbar kurz. Zum Vergleich: Das Universum ist etwa 1018 Sekunden alt. Und eine Attosekunde ist 10-18 Sekunden lang. Das Alter unseres Universums verhält sich zu einer Sekunde also genauso wie diese Sekunde zur Länge der Prozesse, die wir untersuchen,“ erklärt Uwe Bovensiepen.

Am Ende hoffen die Wissenschaftler:innen, mit ihrer Grundlagenforschung zu neuen Materialeigenschaften beitragen zu können. Die könnten zum Beispiel Katalysatoren verbessern oder zu neuen Energiespeichern führen – angesichts der Klimakrise ein hoch­relevantes Thema.

Der SFB ist aktuell in der zweiten Förderperiode. „Wenn Sie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft so viel Geld haben wollen, müssen Sie das gut begründen“, so Uwe Bovensiepen. „Die UDE selbst spielt ziemlich erfolgreich in der Bundesliga der Universitäten – und ermöglicht es uns, dass wir mit der Forschung in der Champions League mitmischen können. Dadurch können wir auch internationale Topstars für uns gewinnen und als neue Professor:innen berufen.“ Es braucht allerdings nicht nur Geld zum Forschen, sondern auch Zeit. Und die nutzen die Mitglieder des SFB auf ihre Weise.

Redaktion: Peter Kohl