Die Lichtgeschwindigkeit brechen: Das Geheimnis des Quantentunnels

Bei einem erstaunlichen Phänomen der Quantenphysik, das als Tunneln bekannt ist, scheinen sich Teilchen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Darmstädter Physiker gehen jedoch davon aus, dass die Verweildauer der Teilchen im Tunnel bisher falsch gemessen wurde. Sie schlagen einen neuen Weg vor, die Geschwindigkeit von Quantenteilchen zu stoppen.

In der klassischen Physik gibt es strenge Regeln, die nicht umgangen werden können. Wenn zum Beispiel ein rollender Ball nicht über genügend Energie verfügt, wird er nicht über den Hügel fliegen, sondern vor Erreichen des Gipfels umkehren und die Richtung umkehren. In der Quantenphysik ist dieses Prinzip nicht ganz streng: Ein Teilchen kann eine Barriere überwinden, auch wenn es nicht genug Energie hat, um durch sie hindurchzukommen. Es verhält sich, als würde es durch einen Tunnel gleiten, weshalb dieses Phänomen auch als „Quantentunneln“ bezeichnet wird. Was magisch erscheint, hat konkrete technische Anwendungen, zum Beispiel in Flash-Speicherlaufwerken.

Quantentunneln und Relativitätstheorie

In der Vergangenheit haben Experimente mit überlichtschnellen Teilchen große Aufmerksamkeit erregt. Schließlich verbietet Einsteins Relativitätstheorie Geschwindigkeiten, die schneller als das Licht sind. Die Frage ist daher, ob die für den Tunnelbau benötigte Zeit bei diesen Experimenten ordnungsgemäß „pausiert“ wurde. Die Physiker Patrick Schach und Eno Giese von der Universität Darmstadt verfolgen einen neuen Ansatz zur Bestimmung der „Zeit“ eines Tunnelteilchens. Sie haben nun eine neue Methode zur Messung dieser Zeit vorgeschlagen. In ihrem Experiment haben sie es auf eine Weise gemessen, die ihrer Meinung nach besser zur Quantennatur des Tunnelns passt. Sie veröffentlichten ihren Versuchsentwurf in der berühmten Zeitschrift Fortschritt der Wissenschaft.

Welle-Teilchen-Dualismus und Quantentunneln

Laut Quantenphysik haben kleine Teilchen wie Atome oder Lichtteilchen eine duale Natur.

Je nach Experiment verhalten sie sich wie Teilchen oder wie Wellen. Quantentunneln verdeutlicht die Wellennatur von Teilchen. Ein „Wellenpaket“ rollt auf die Barriere zu, ähnlich einer Wasserströmung. Die Wellenhöhe gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der ein Partikel an diesem Ort materialisiert, wenn seine Position gemessen würde. Trifft ein Wellenpaket auf eine Energiebarriere, wird ein Teil davon reflektiert. Allerdings durchdringt ein kleiner Teil die Barriere und es besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass das Partikel auf der anderen Seite der Barriere erscheint.

Neubewertung der Tunnelgeschwindigkeit

In früheren Experimenten wurde beobachtet, dass ein leichtes Teilchen nach dem Tunneln eine längere Strecke zurücklegte als ein Teilchen mit freier Wegstrecke. Daher wäre es schneller als das Licht gereist. Allerdings mussten die Forscher den Standort des Partikels nach seinem Vorbeiflug bestimmen. Sie wählten den höchsten Punkt im Wellenpaket.

„Aber das Teilchen folgt keinem Weg im klassischen Sinne“, wendet Eno Giese ein. Es ist unmöglich, genau zu bestimmen, wo sich ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befand. Dies macht es schwierig, Aussagen über die Zeit zu treffen, die benötigt wird, um von A nach B zu gelangen.

Ein neuer Ansatz zur Messung der Tunnelzeit

Andererseits orientiert sich Shash Brief an einem Zitat von Albert Einstein: „Zeit ist das, was man auf der Uhr liest.“ Sie schlagen vor, das Tunnelteilchen selbst als Uhr zu verwenden. Das zweite nicht verbrauchte Teilchen dient als Referenz. Durch den Vergleich dieser beiden natürlichen Uhren lässt sich feststellen, ob die Zeit beim Quantentunneln langsamer, schneller oder gleich schnell vergeht.

Die Wellennatur von Teilchen erleichtert diesen Ansatz. Die Schwingung von Wellen ist wie die Schwingung einer Uhr. Konkret schlagen Schach und Giese vor, Atome als Uhren zu verwenden. Die Energieniveaus der Atome schwingen bei bestimmten Frequenzen. Nach der Ansprache von A Mais Mit einem Laserpuls schwingen ihre Pegel zunächst synchron – die Atomuhr startet. Während des Tunnels ändert sich der Rhythmus leicht. Ein zweiter Laserpuls bewirkt, dass sich die beiden inneren Wellen des Atoms überlappen. Durch die Erkennung von Interferenzen lässt sich messen, wie weit zwei Energieniveauwellen voneinander entfernt sind, was wiederum eine genaue Messung der verstrichenen Zeit darstellt.

Das zweite Atom, das nicht getunnelt ist, dient als Referenz für die Messung der Zeitdifferenz zwischen dem Graben von Tunneln und dem Nicht-Graben von Tunneln. Berechnungen der Physiker deuten darauf hin, dass das Tunnelteilchen etwas später auftauchen wird. „Die Uhr, die durch den Tunnel gegraben wurde, ist etwas älter als die andere Uhr“, sagt Patrick Schach. Dies scheint im Widerspruch zu Experimenten zu stehen, die die Lichtgeschwindigkeit dem Tunneln zuschrieben.

Die Herausforderung, das Experiment umzusetzen

Prinzipiell ließe sich der Test mit der aktuellen Technik durchführen, sagt Schach, für Experimente stelle er jedoch eine große Herausforderung dar. Dies liegt daran, dass der zu messende Zeitunterschied nur etwa 10 beträgt^-26 Sekunden – eine sehr kurze Zeit. Der Physiker erklärt, dass es hilfreich sei, statt einzelner Atome Atomwolken als Uhren zu nutzen. Es ist auch möglich, den Effekt zu verstärken, beispielsweise durch künstliche Erhöhung der Taktfrequenzen.

„Wir diskutieren diese Idee derzeit mit unseren experimentellen Kollegen und stehen in Kontakt mit unseren Projektpartnern“, fügt Gizzi hinzu. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich das Team bald dazu entschließt, dieses spannende Experiment durchzuführen.

Referenz: „Einheitliche Theorie der Tunnelzeiten gefördert durch Ramsey-Uhren“ von Patrick Schach und Eno Giese, 19. April 2024, Fortschritt der Wissenschaft.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078