Tunneln

Der Tunnelblick

Ein internationales Forscherteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat zum ersten Mal Elektronen beobachetet, die aus einem Atom „heraustunneln“.

Die Graphik zeigt zwei Wege, auf die andere Seite eines Hügels zu gelangen. Der erste Wege führt über den Gipfel, der zweite führt durch den Hügel hindurch.
Der Tunneleffekt

Wir Menschen müssen einen Berg erklimmen, um ihn zu überwinden – in der Quantenphysik geht das auch anders: Quantenobjekte können auf die andere Seite eines Hügels gelangen, indem sie ihn einfach durchtunneln. Ganz spontan finden sie sich dann auf der anderen Seite des Hügels. Dieser sogenannte Tunneleffekt kann dabei helfen, dass Elektronen der anziehenden Kraft ihres Atomkerns entkommen. Ohne Tunneleffekt gäbe es keine Kernfusion in der Sonne, weil die Atomkerne nicht dicht genug aneinander herankämen. Und in einigen Elektronikbausteinen wird der Tunneleffekt bereits technisch genutzt.

Obwohl der Tunneleffekt also nicht selten ist, konnte noch niemand dessen Zeitverlauf in Echtzeit beobachten. Das ist auch nicht weiter verwunderlich, da man sogar annimmt, dass der Tunnelprozess überhaupt keine Zeit benötigt und sozusagen „instantan“ passiert. Diese Annahme wollten wir an Atomen genauer untersuchen. Unser internationales Forscherteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom nun erstmals live verfolgt und dessen Dauer untersucht. Dazu verwendeten wir ein erst kürzlich entwickeltes Attosekunden-Messverfahren. Damit lassen sich Prozesse im Bereich von Attosekunden untersuchen, dem millionsten Teil eines Millionstels einer millionstel Sekunde.

Elektronen sind in Atomen gefangen, weil sie von den positiv geladenen Atomkernen angezogen werden. Bildlich kann man sich das so vorstellen, dass die elektrische Kraft einen Wall um den Atomkern bildet, der die Elektronen im Normalfall im Inneren des Atoms hält. Diese Mauer wird Potentialbarriere genannt. Dank Tunneleffekt können die Elektronen die Potentialbarriere durchdringen. Denn den Gesetzen der Quantenmechanik zufolge kann sich ein Elektron mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auch dort aufhalten, wo es nach den Gesetzen der klassischen Physik eigentlich gar nicht sein dürfte – zum Beispiel jenseits einer Potentialbarriere. Für große Objekte wie Felsbrocken und Menschen ist die Wahrscheinlichkeit, auf diese Weise hinter einen Berg zu gelangen, verschwindend gering. Für Objekte der Quantenwelt wie Elektronen stehen die Chancen hingegen nicht schlecht, auf diese Weise durch Berge, wenn auch elektrostatische, zu tunneln.

Der Versuch

Die obere Hälfte des Bildes zeigt fünf Wellenberge eines roten Laserpulses; der Ausschlag entspricht der elektrischen Kraft; der mittlere Wellenberg hat den höchsten Ausschlag, zu den Seiten flacht es ab. Zu verschiedenen elektrischen Kräften wird das sich resultierende Potential angezeigt. Dies ist für die starken Ausschläge des Pulses in der Mitte seitlich (stark) abgeflacht. In der unteren Hälfte der Graphik ist die entsprechende Wahrscheinlichkeit für das Tunneln des Elektrons aus dem Atom aufgezeigt. Diese Wahrscheinlichkeit wächst an den Stellen mit starken Ausschlag besondern stark an, so dass sich eine stufenförmige Wahrscheinlichkeitsverteilung ergibt.
Laserpuls-verursachtes Quantentunneln

Unsere Forschergruppe hat nun das Heraustunneln von Elektronen aus Neonatomen untersucht. In diesem Edelgas sind die Elektronen besonders fest gebunden, und es bedarf einer Menge Energie, um sie aus dem Atom zu lösen. Mit Hilfe eines ultravioletten (d.h. energiereichen) Attosekunden-Laserblitzes versorgten wir das Atom mit so viel Energie, dass das Elektron zwar noch nicht das Atom verlassen konnte, aber in einen Außenbezirk des Atoms gelangte. Dieser erste Laserpuls bereitete das Atom vor. Ein zweiter, roter Laserpuls, der aus nur wenigen Wellenbergen und -tälern bestand, wirkte dann auf die Potentialbarriere des Atoms ein. Denn Licht ist eine elektromagnetische Welle und kann durch das vorhandene elektrische Feld die Potentialbarriere des Atoms beeinflussen. Das schwingende Lichtfeld senkt dabei die Potentialbarriere abwechselnd links oder rechts herab und erhöht dadurch die Wahrscheinlichkeit für ein Hindurchtunneln.

Bei unserem Versuch kam es auf die Synchronisation der beiden Laserpulse an: Weil der erste Laserpuls nur 250 Attosekunden lang dauerte, konnten wir die Elektronen zu nahezu jedem beliebigen Zeitpunkt innerhalb der roten Laserwelle in die Außenbezirke befördern und die Wahrscheinlichkeit für das Tunneln messen. Wenn die Kraft der roten Welle besonders groß ist, sollte die sich die Wahrscheinlichkeit für das Tunneln erhöhen. Wenn die Kraft null ist, sollte sich die Wahrscheinlichkeit für das Tunneln dagegen nicht erhöhen. Die Folge ist eine stufenweise Wahrscheinlichkeitsverteilung. Diese theoretischen Überlegungen warten seit über vier Jahrzehnten auf eine experimentelle Bestätigung, die wir nun liefern konnten. Das Tunneln wiesen wir nach, indem wir die Neonatome zählten, aus denen ein Elektron entkommen war und die auf diese Weise positiv geladen waren. Zwar war es uns nicht möglich die Zeitdauer des Tunnelprozesses direkt zu bestimmen, doch konnten wir eindeutig zeigen, dass dieser in weniger als 380 Attosekunden passiert sein muss.

Ausblick

Unsere Experimente gewähren zum ersten Mal einen Einblick in die Abläufe des Elektronen-Tunnelns mit Hilfe von Lichtwellen. Die theoretischen Berechnungen konnten wir dabei überzeugend bestätigen. Unser zunehmendes Wissen über die Bewegungen von Elektronen in Atomen wird zudem dabei helfen können, die Grenzen der Mikroelektronik in neue Bereiche zu verschieben und zum Beispiel kompakte Röntgenlaser zu entwickeln, mit denen sich biologische Objekte besser abbilden oder die Strahlentherapie verbessern lassen.