Zeitmessung

Endlicher Aufenthalt im Quantentunnel

Von Sibylle Anderl
06.08.2017
, 11:00
Ohne den quantenmechanischen Tunneleffekt gäbe es keinen radioaktiven Alpha-Zerfall von Atomkernen.
Gemäß der Quantenmechanik können mikroskopische Teilchen eigentlich unüberwindbare Energiebarrieren durchtunneln. Ob sie dafür Zeit brauchen oder nicht, wurde nun neu vermessen.
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Eine Merkwürdigkeit des Mikrokosmos betrifft die Fähigkeit von Quantenteilchen, Energiebarrieren zu überwinden, die nach den Gesetzen der klassischen Physik undurchdringlich sein sollten. Der quantenmechanische Tunneleffekt beruht darauf, dass sich ein Teilchen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in energetisch unzugänglichen Gebieten aufhält – der radioaktive Zerfall mancher Atomkerne wird dadurch beispielsweise möglich.

Wie lange es für ein Teilchen dauert, durch einen Potentialwall zu tunneln, war lange unbekannt. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg um Thomas Pfeiffer haben sich dieser Frage nun gewidmet. Dabei bestrahlten sie Atome mit kurzen Laserpulsen. Die Pulse überlagerten sich so mit dem elektrischen Feld des Atomkerns, dass sich die Wahrscheinlichkeit für ein gebundenes Elektron stark erhöhte, das Atom zu verlassen.

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Austretende Elektronen verraten Tunnelzeit

Quantenmechanische Berechnungen auf der Grundlage eines Modells Eugene Wigners ergaben, dass ein Elektron bei den verwendeten Laserintensitäten 80 bis 180 Attosekunden (Trillionstelsekunden) benötigen würde, um das Atom zu verlassen. Um die Dauer des Tunnelprozesses tatsächlich messen zu können, verwendeten die Wissenschaftler zirkular polarisierte Laserpulse. Das sich drehende elektrische Feld erzeugt in der Überlagerung mit demjenigen des Atoms einen sich drehenden Potentialtopf.

Die Stelle, an der das Elektron das Atom verlässt, hängt daher davon ab, wie weit der Potentialtopf sich während des Tunnelvorgangs drehen konnte. Eine präzise Messung dieses Effekts gelang nun durch den Vergleich von Argon- und Kryptonatomen, die leicht unterschiedliche Barrierehöhen und Tunnelstreckenlängen besitzen. Der gemessene Unterschied in den Austrittswinkeln der Elektronen zwischen beiden Atomsorten bestätigte, dass die Tunnelprozesse tatsächlich eine endliche Zeit benötigen.

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Quelle: F.A.Z.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton, zuständig für das Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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