Elektronen beim Tunneln erstmals beobachtet

Jeden Tag passiert es unzählige Male. In zerfallenen Atomkernen oder in Computerchips tunneln Elektronen durch hohe Potenzialberge.

Garching - Obwohl theoretisch gut verstanden, konnte der Schlüsselprozess der Quantenphysik, das Tunneln von Teilchen, bisher nicht beobachtet werden. Einer internationalen Arbeitsgruppe gelang aber nun dieser Kunstgriff in einem Optiklabor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Über ihr Experiment berichten sie in der Zeitschrift "Nature".

Für Elektronen scheinen Potenzialberge klassisch auf den ersten Blick unüberwindbar. Doch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit können sie eine Abkürzung finden: Sie tunneln einfach durch diesen Berg hindurch. "Unsere Experimente gewähren nicht nur zum ersten Mal einen Einblick in die Dynamik des Elektronen-Tunnelns", sagt Ferenc Krausz, der Leiter der Garchinger Arbeitsgruppe. Die Physiker konnten zudem zeigen, dass sich die rasanten Bewegungen der Elektronen in Echtzeit beobachten lassen.

Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in extrem kurzen Lichtpulsen, die nur ein Millardstel Teil einer Millardstel Sekunde aufblitzen. Ein erster ultravioletter Blitz regt ein Neon-Atom an und hebt ein Elektron in einen schwach gebundenen Zustand um das Neonatom. Ein zweiter infraroter Blitz liefert dann die Restenergie, um das Elektron ganz vom Neonatom-Rumpf zu trennen. Bei diesem so genannten Pump-Probe-Experiment müssen die Lichtpulse aber aufeinander abgestimmt sein. Nur in einem extrem kleinen Zeitfenster klappt der Tunnelprozess und das Atom wird ionisiert.

Genau dieses Zeitfenster konnten Krausz und Kollegen nun genau bestimmen. "Unser Ergebnis bestätigt zum ersten Mal in einer Echtzeitbeobachtung die theoretischen Vorhersagen der Quantenmechanik", sagt Krausz. In weiteren Versuchen könnte die zeitliche Auflösung dieser Pump-Probe-Methode weiter gesteigert werden. Sehr kurzlebige elektronische Prozesse, die sich bisher den Blicken der Physiker entzogen haben, wollen die Forscher damit messen. Mit den Ergebnissen könnten die Schaltprozesse in der Mikroelektronik genauer verstanden und für schnellere Chips weiter ausgereizt werden. Auch brillante, kompakte Röntgenquellen sollen dadurch möglich werden.