物理学中最基本的相互作用之一是电子和光的相互作用。在法兰克福歌德大学的一项实验中，科学家们首次在全时间分辨率下观察到了所谓的卡皮查-狄拉克效应。这种效应早在 90 多年前就被首次提出，但直到现在，其最细微的细节才被人们所了解。
这是科学史上最大的惊喜之一：大约 100 年前，在量子物理学的早期，学者们发现构成我们物质的粒子总是表现得像波。正如光可以在双缝处散射并产生散射图案一样，电子也可以表现出干涉效应。
1933 年，两位理论家 Piotr Kapitza 和 Paul Dirac 证明，电子束甚至可以从驻波光波中衍射(由于粒子的特性)，并且波特性导致的干涉效应是可以预料的。
由法兰克福歌德大学 Reinhard Dörner 教授领导的德中团队成功地利用这种卡皮查-狄拉克效应来可视化电子波的时间演化，即电子的量子力学相。该研究发表在《科学》杂志上。
“最初建造该实验装置的是我们研究所的前博士研究员亚历山大·哈同(Alexander Hartung)，”多纳说。 “在他离开后，在法兰克福队工作了四年的亚历山大·冯·洪堡研究员康林能够用它来测量依赖于时间的卡皮察-狄拉克效应。”为此，还需要进一步发展理论描述，因为卡皮查和狄拉克当时没有专门考虑电子相的时间演化。
在他们的实验中，法兰克福的科学家首先从相反方向向氙气发射两个超短激光脉冲。在交叉点，这些飞秒脉冲(飞秒是万亿分之一秒)在几分之一秒内产生了超强光场。这将电子从氙原子中分离出来，也就是说，它使它们电离。
不久之后，物理学家向以这种方式释放的电子发射了第二对短激光脉冲，电子也在中心形成了驻波。这些脉冲稍弱，不会引起任何进一步的电离。然而，它们现在能够与自由电子相互作用，这可以借助法兰克福开发的 COLTRIMS 反应显微镜进行观察。
“在互动时，可能会发生三件事，”多纳说。 “电子要么不与光相互作用，要么向左或向右散射。”
根据量子物理定律，这三种可能性加在一起就构成了一定的概率，反映在电子的波函数中：电子以一定的概率可能在云状空间中塌陷，可以说，分成三维切片。这里，波函数及其相位的时间演化取决于电离和第二对激光脉冲撞击时刻之间经过的时间。
“这在量子物理学中开辟了许多令人兴奋的应用。希望它能帮助我们追踪电子如何在最短的时间内从量子粒子转变为完全正常的粒子。我们已经计划使用它来了解更多关于纠缠的信息爱因斯坦称之为“怪异”的不同粒子之间的相互作用。”多纳说。