Quantenphänomen: Physiker schauen Elektronen beim Tunneln zu

Der Tunnel-Effekt gehört zu den bizarrsten Phänomenen der Quantentheorie. Blitzschnell können Teilchen aus dem Mikrokosmos eine Barriere überwinden, ohne über sie hinweg springen zu müssen. Erstmals haben Physiker nun Elektronen beim Tunneln beobachtet.

Wenn der Berg zu hoch ist, dann gräbt man am besten einen Tunnel, um auf die andere Seite zu gelangen. Leider sind Tunnel aber eine ziemlich teure Sache, weshalb der Mensch nur selten Gänge quer durch Felsen fräst oder sprengt. Elektronen haben es da leichter: Sie können einfach so durch einen Wall tunneln, ohne dass jemand zuvor einen Weg gebahnt hat - die Quantenmechanik macht's möglich. Auf diese Weise verlassen sie die Elektronenhülle des Atoms - übrig bleibt ein positiv geladenes Ion.

Nun hat ein deutsch-österreichisch-holländisches Physikerteam erstmals Elektronen beim Tunneln beobachtet. Mit kurzen Laserimpulsen konnten Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München und seine Kollegen diskrete Ionisationsstufen nachweisen, die nicht einmal ein Billiardstel Sekunde dauerten. Sie brachten Elektronen zum Tunneln, also zum Verlassen des Atoms, und wiesen den Effekt anhand der ionisierten Atome nach. Die Forscher bezeichneten ihre Arbeit als einen "Meilenstein", der helfe, ein tieferes Verständnis von der Bewegung der Elektronen in Atomen und Molekülen zu gewinnen.

Bei dem Berg, den die Elektronen durchlaufen, handelt es sich um einen sogenannten Potentialwall - aufgebaut durch die Anziehungskräfte im Atomkern. Um ihn auf klassischem Weg zu überwinden, müssten die Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Dank des Tunneleffekts geht es jedoch auch auf dem kurzen Weg direkt durch den Potentialwall.

Wegen ihres Wellencharakters können Elektronen den Wall mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durchqueren und das Atom verlassen. Dabei durchlaufen sie Gebiete, in denen sie sich nach den Gesetzen der klassischen Physik gar nicht aufhalten dürften. Der Tunnel-Effekt ist übrigens nicht auf kleine Teilchen beschränkt. Prinzipiell ist er auch bei makroskopischen Objekte denkbar. So kann ein Auto mit einer von Null verschiedenen Wahrscheinlichkeit eine Mauer durchqueren, ohne dabei Schaden zu nehmen. Dabei müsste jedes einzelne Teilchen des Autos die Potentialbarriere der Wand durchtunneln. Die Wahrscheinlichkeit, das dies geschieht, ist jedoch so extrem klein, das das Phänomen außerhalb des Mikrokosmos noch nie beobachtet worden ist.

Tunneln mit Attosekundenpräzision

In der Welt der Quantenteilchen gehört das Tunneln hingegen gewissermaßen zum Alltag: Das Phänomen wird für so verschiedene Prozesse wie den Zerfall von Atomkernen oder den Schaltvorgang in elektronischen Bauelementen verantwortlich gemacht. Weil das Tunneln aber nur eine unglaublich kurze Zeit dauert, ist es noch nie in Echtzeit beobachtet worden.

Das Team von Krausz nutzte bei seinem Experiment zwei miteinander synchronisierte Laser: ein intensiver Puls aus nur wenigen Wellenzügen roten Laserlichts, und ein extrem kurzer Puls im UV-Bereich. Mit nur 250 Attosekunden dauernden ultravioletten Laserpulsen bestrahlten sie Neonatome. Die Zeitdauer entspricht einer Viertel Billiardstel Sekunde. Dadurch wurden die Neonatome für das spätere Tunneln präpariert, denn die Elektronen gelangten an die Peripherie des Atoms. Mit den roten Laserpulsen konnten Neonatome anschließend ionisiert werden, berichten die Forscher im Wissenschaftsmagazin "Nature" (Bd. 446. S. 627).

Dem Team von Krausz gelang es nach eigener Aussage, "mit Attosekundenpräzision" zu jedem beliebigen Zeitpunkt innerhalb der Laserwelle ein Elektron an die Peripherie befördern. Die Forscher verschoben diesen Zeitpunkt Schritt für Schritt, und maßen dabei die Zahl der Atome, die vom Laser ionisiert wurden. Auf diese Weise konnten sie den zeitlichen Verlauf der Ionisierung rekonstruieren. Das Tunneln fand immer genau dann statt, wenn die Atome sich in der Nähe der höchsten Wellenberge des roten Laserlichts befanden - genau wie es die Theorie vorhergesagt hatte.

hda

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