Dauer des Tunneleffekts

Der Tunneleffekt spielt nicht nur eine Rolle in Quanten­experimenten, sondern auch beim radio­aktiven Zerfall. Nach der klas­sischen Physik könnten die Teilchen den Energie­wall nicht überwinden und aus dem Kern verschwinden. Nach den Gesetzen der Quanten­physik besteht aber eine gewisse Wahrschein­lichkeit, dass eines der Teilchen den Wall durch­dringen kann. Befindet es sich außerhalb der Barriere, verlässt es den Kern, der damit radioaktiv zerfallen ist. An diesem zufällig auftre­tenden Kern­prozess lässt sich nicht fest­stellen, ob das Teilchen Zeit benötigt oder nicht, um durch den vom Kern aufgebauten Wall zu tunneln. Doch nun hat die Heidel­berger Gruppe einen Tunnel­vorgang gezielt einge­leitet und dessen Dauer ermittelt.

In einem Atom erzeugt der Kern ein elek­trisches Feld, das die ihn umgebenden Elektronen einschließt. Die Elektronen befinden sich gewisser­maßen am Fuß eines sehr dicken Energie­walls, weswegen die Wahrschein­lichkeit, diesen zu durch­tunneln, nahezu null ist. Deswegen sind Atome stabil. Wenn die Physiker allerdings einen kurzen Laserpuls auf die Teilchen einstrahlen, überlagert sich dessen periodisch schwingendes elek­trisches Feld dem des Kerns. So verringert es für eine kurze Zeit die Breite des Walls, sodass die Wahrschein­lichkeit, den Wall zu durch­tunneln, für ein gebundenes Elektron sehr groß wird. Tut es dies, so fliegt es vom Laserfeld geleitet fort und wird von einem Detektor nach­gewiesen.

In einem solchen Experiment die Tunnel­zeit zu bestimmen, erfordert jedoch einige Anstren­gungen. Eine Gruppe von Theo­retikern um Karen Hatsa­gortsyan in der Abteilung von Christoph Keitel hat diesen Vorgang zunächst theo­retisch untersucht. Die einfachste Betrachtung nimmt an, dass das Tunneln keine Zeit benötigt, das Elektron also instantan am Tunnel­ausgang und mit der Geschwin­digkeit Null erscheint. Eine zweite Möglich­keit besteht darin, dass das Elektron eine bestimmte Zeit benötigt, um durch die Energie­barriere zu tunneln. Diese Theorie veröffent­lichte 1955 der Physiker und Nobel­preisträger Eugene Wigner.

Zu berechnen, wie viel Zeit ein Elektron nach dem Modell von Eugene Wigner bei ihrem Experiment im Quanten­tunnel verbringen würde, war für die Physiker nicht einfach. „Die quanten­mechanischen Berech­nungen sind sehr aufwendig", sagt Christoph Keitel. „Wir mussten das Wigner-Modell stark weiter­entwickeln und sehr spezi­fische Details unseres Experiments berück­sichtigen." Wie das Ergebnis zeigt, braucht das Elektron eine gewisse Zeit, um die Barriere zu durch­dringen. „Nach unseren Lösungen benötigt das Elektron im Fall des Wigner-Modells im Bereich der verwendeten Laser­intensitäten 80 bis 180 Atto­sekunden, um die Barriere zu durch­tunneln", so Enderalp Yakaboylu, der die Rechnungen ausführte.

Ebenso knifflig wie die Berechnung derart rasanter Vorgänge ist deren Messung. Die Forscher strahlten auf die Atome Laser­pulse, die zirkular pola­risiert waren. Wenn sich ein solches rotie­rendes Laser­feld dem elek­trischen Feld des Atoms überlagert, dreht sich der gesamte Energie­topf, in dem sich die Elektronen befinden. Der Laser­puls regt zudem eines der Elektronen an und startet damit die Zeitmessung. Das Teilchen durch­tunnelt daraufhin die Energie­barriere und tritt an einer bestimmten Stelle aus. Wenn das Elektron hierfür Zeit benötigt, dann hat sich der Energietopf seit dem Start des Tunnel­vorgangs ein wenig weiter­gedreht, und das Elektron tritt an einer anderen Stelle und in einem anderen Winkel aus, als wenn es ohne Zeit­verlust tunneln würde. Diesen winzigen Winkel­unterschied galt es zu messen.

„Eine der größten Heraus­forderungen bestand in der exakten Winkel­messung", sagt Thomas Pfeifer. Vor allem ist es extrem schwierig, den Winkel der Elektron­bahnen absolut zu messen. Dieses Problem umgingen die Physiker mit einem ent­scheidenden Kniff: Sie unter­suchten gleich­zeitig ein Gemisch aus Argon- und Krypton­atomen, die sich in Barrieren­höhe und Tunnel­strecken­länge ein wenig unter­scheiden. Folgen die Elektronen dem Wigner-Modell, absol­vieren sie den Sprint durch den Quantentunnel mit verschiedenen Zeiten, was sich in leicht voneinander ab­weichenden Winkeln der Elektron­flugbahnen äußert. Der Winkel zwischen diesen beiden Flug­bahnen lässt erheblich genauer messen, als der absolute Winkel einer einzigen Flugbahn.

„Wir haben das Gas­gemisch mit 3000 Pulsen pro Sekunde beschossen und konnten Schuss für Schuss ana­lysieren, in welcher Atomsorte der Tunnel­effekt ausgelöst wurde", so Nicolas Camus, der die Messungen durchführte. Das Ergebnis ist eindeutig: Die Messdaten bestätigen das Wigner-Modell quantitativ und sind mit dem instan­tanen Tunnel­vorgang nicht vereinbar. Damit beenden die Heidel­berger Physiker eine jahrzehnte­lange Diskussion.

MPG / JOL