Quantentunneleffekt schneller als Licht? Das Experiment zur Klärung

In der klassischen Physik kann ein Objekt eine Barriere nicht überwinden, ohne genügend Energie zu haben. In der Quantenphysik jedoch können Teilchen energetische Barrieren durch ein Phänomen überwinden, das als Tunneleffekt bekannt ist.

Dieser Prozess ermöglicht es Teilchen, durch Hindernisse „hindurchzugleiten“, was bereits in Technologien wie Flash-Speichern Anwendung findet. Frühere Experimente haben nahegelegt, dass Teilchen diese Barrieren mit überlichtschnellen Geschwindigkeiten durchqueren könnten, was Einsteins Relativitätstheorie widerspricht.


Die Physiker Patrik Schach und Enno Giese von der Universität Darmstadt schlagen eine neue Messmethode vor, die besser zur quantenmechanischen Natur dieses Phänomens passt, und haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. Dieser neue Ansatz stellt die traditionellen Messmethoden der Zeit infrage, die Teilchen benötigen, um energetische Barrieren zu durchqueren.

Der Tunneleffekt zeigt die Teilchen-Wellen-Dualität der Teilchen. Wenn sie auf eine Barriere treffen, wird ein Teil ihrer Welle reflektiert, während ein kleiner Teil hindurchtritt, was es dem Teilchen ermöglicht, auf der anderen Seite aufzutauchen. Bisher nahmen die Messungen der „Tunneldauer“ die Spitze des Wellenpakets als Bezugspunkt. Patrik Schach und Enno Giese stellen diesen Ansatz infrage.

Inspiriert durch ein Zitat von Albert Einstein, schlagen die Forscher vor, die Teilchen als Uhren zu benutzen. Durch den Vergleich eines tunnelnden Teilchens mit einem ruhenden Referenzteilchen kann die genaue Dauer des Tunnelprozesses bestimmt werden. Ihre Methode verwendet Atome, deren Energieniveaus mit spezifischen Frequenzen schwingen. Diese Schwingungen, ausgelöst durch Laserimpulse, ermöglichen präzise Zeitmessungen.

Die Berechnungen der Physiker zeigen, dass das tunnelnde Teilchen im Vergleich zu seiner Referenz eine leichte zeitliche Verzögerung erleidet. Dies widerspricht früheren Experimenten, die dem Tunneleffekt überlichtschnelle Geschwindigkeiten zuschrieben. Dennoch stellt die Messung eines Zeitunterschieds von der Größenordnung 10^-26 Sekunden eine erhebliche technische Herausforderung dar. Die Verwendung von Atomwolken anstelle einzelner Atome könnte die Präzision verbessern.

Obwohl diese Methode Herausforderungen präsentiert, laufen bereits Kooperationen zur Umsetzung.