Quantenteilchen tunneln mehrfach

Einzelne Quantenteilchen können eine Barriere auch dann überwinden, wenn sie die dafür notwendige Energie nicht besitzen. Dieses als quantenmechanischer Tunneleffekt bezeichnete Phänomen wird in vielen technische Anwendungen ausgenutzt, etwa beim Rastertunnelmikroskop oder in Flash-Speichermedien. Nun haben Physiker um Florian Meinert von der Universität Innsbruck erstmals im Experiment beobachtet, wie wechselwirkende Quantenteilchen mehrere Barrieren hintereinander durchdringen. Dabei ist entscheidend, dass die Teilchen miteinander wechselwirken und sich gegenseitig mit einer Art Räuberleiter helfen, um ans Ziel zu kommen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Mehrere Potenzialberge und -täler entlang einer eindimensionalen räumlichen Achse, die im Bild von vorne links nach hinten rechts ragt. In jedem zweiten Tal liegt eine Kugel. Insgesamt drei Kugeln gelingt es, die Potenzialberge von hinten nach vorne zu durchdringen. Indem die Kugeln jeweils mit benachbarten Kugeln wechselwirken, beschleunigt sich dieser Vorgang.
Tunneln durch mehrere Potenzialbarrieren

In ihrem Experiment kühlten die Physiker eine Gaswolke aus Cäsiumatomen bis nahe an den absoluten Nullpunkt ab. Die Atome fixierten sie in einem optischen Gitter, das mithilfe von Laserstrahlen geschaffen wurde. Das Lichtgitter wirkte wie eine Wand auf die stark abgekühlten Teilchen: Es hinderte sie daran, ihren jeweiligen Platz zu verlassen. „Die Atome können die Hürden nicht überspringen, weil ihnen dazu die Energie fehlt“, erklärt Koautor Hanns-Christoph Nägerl von der Universität Innsbruck. „Es bleibt ihnen nur die Möglichkeit, die Barrieren mit Hilfe des quantenphysikalischen Tunneleffekts zu durchdringen.“ Doch das geht nicht, wenn die Nachbarplätze schon besetzt sind und die Teilchen sich durch gegenseitige Wechselwirkungen blockieren.

Um trotzdem ein Quantentunneln zu ermöglichen, kippten die Forscher die Reihen der Cäsiumatome mit einer äußeren Kraft. Dadurch veränderte sich die potenzielle Energie der Teilchen. Im Zusammenspiel mit den benachbarten Teilchen konnten die Atome dann bis zu fünf Barrieren hintereinander durchqueren, so das für die Forscher überraschende Ergebnis. „Jetzt helfen sich die Teilchen gegenseitig, anstatt sich zu blockieren, wie in einer Räuberleiter. Es ist entscheiden für das Experiment, dass wir das Zusammenspiel der Wechselwirkung zwischen den Teilchen und der äußeren Kraft genau kontrollieren“, sagt Nägerl. „Denn tunnelnde Atome müssen potenzielle Energie abgeben, und das können sie in unserem System nur über die Wechselwirkung mit den benachbarten Atomen.“ Über die Anpassung von potenzieller Energie und Wechselwirkungsenergie können die Physiker genau bestimmen, wie viele Barrieren ein Teilchen durchdringt.

Da die Cäsiumatome ununterscheidbare Teilchen sind, die einer speziellen Quantenstatistik gehorchen, kommt es nicht darauf an, welches der Atome ins Ziel kommt, sondern es genügt, dass eines der Atome ins Ziel gelangt. Solche langreichweitigen Tunnelprozesse wurden in der Forschung bisher wenig beachtet, auch weil sie experimentell nicht zugänglich waren. „In diesem Experiment haben wir erstmals beobachtet, wie Teilchen in einem stark wechselwirkenden System mehrere Barrieren hintereinander durchdringen“, sagt Nägerl. „Die Zukunft wird zeigen, welche Einsichten für molekulare, biologische oder elektronische Systeme daraus gewonnen werden können. Auch Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung oder Quantensimulation sind denkbar.“