Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Tunneleffekt braucht Zeit

17.07.2017

Welche Rolle spielt die Zeit beim quantenmechanischen Tunneleffekt? Dieser Frage sind Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik theoretisch und experimentell am Beispiel der Ionisation von Atomen in starken Laserfeldern nachgegangen. Die „Tunnelzeit“ eines Elektrons wird hierzu mit der „Wigner-Methode“ berechnet und die Anfangsbedingungen für die weitere Bewegung im Laserfeld bestimmt. Zum Test dieses Modells wurden die Edelgase Argon und Krypton zugleich unter identischen Bedingungen mit ultrakurzen Laserpulsen ionisiert. Im Vergleich mit dem etablierten „Simple-man model“, wo das Tunneln keine Zeit braucht, konnte die Vorhersage der Wigner-Methode bestätigt werden. [PRL 14. Juli 2017]

Zu den merkwürdigsten Vorgängen in der Quantenwelt gehört der Tunneleffekt. Während ein Ball, der auf eine Bodenwelle zurollt, bei zu geringer Geschwindigkeit diese nicht überwinden kann, vermögen Teilchen im Mikrokosmos Barrieren gleichsam zu durchtunneln. Eine solche Situation tritt bei Ionisation von Atomen in sehr starken elektrischen Feldern (z. B. in hochintensiven Laserpulsen) auf:


Abb. 1: Tunnelionisation im Laserfeld, gefolgt von der Beschleunigung des Elektrons im Laserfeld - die Fälle „Simple man“ und „Wigner“ unterscheiden sich in ihren Anfangsbedingungen.

Grafik: MPIK


Abb. 2:.(a) Rotierender Feldvektor für elliptisch polarisiertes Licht. (b) Impulsverteilung für Feldionisation von Argon in elliptisch polarisierten Laserpulsen.

Grafik: MPIK

Das Elektron befindet sich durch die Anziehungskraft des Atomkerns einem Potentialtopf, der in Richtung des elektrischen Feldes verbogen wird. Die so gebildete Barriere kann das Elektron dann durchtunneln und auf diese Weise freigesetzt werden (Abb. 1a).

Die Tunnelwahrscheinlichkeit ist dabei umso größer, je kürzer die Tunnelstrecke bzw. je stärker das elektrische Feld ist. Demzufolge tritt diese Feldionisation am ehesten im Maximum des eingestrahlten Laserpulses auf. Das freie Elektron wird dann im allmählich abklingenden Laserfeld beschleunigt und der am Ende aufgenommene Impuls (bzw. die Geschwindigkeit des Elektrons) kann experimentell gemessen werden.

Die Bewegung im Laserfeld wird in guter Näherung als klassische Bahn beschrieben, was aber die Kenntnis der Anfangsbedingungen unmittelbar nach dem Tunneln voraussetzt. Die einfachste Betrachtung („Simple-man model“) nimmt an, dass das Tunneln keine Zeit benötigt, das Elektron also instantan am Tunnelausgang erscheint – und zwar mit der Geschwindigkeit Null.

Dieses Modell wurde in den letzten Jahren intensiv debattiert. Erste Experimente ergaben – im Rahmen der Messgenauigkeit – keinen Hinweis auf eine endliche Tunnelzeit. Ganz so einfach ist die Interpretation aber nicht, da auch eine möglicherweise von Null verschiedene Anfangsgeschwindigkeit eine Rolle spielt. Offen war zudem die Frage, wie die klassische Bewegung korrekt mit dem quantenmechanischen Tunnelprozess verknüpft werden kann und ob daraus die Zeitdauer für das Tunneln berechnet werden kann. Eigentlich auf den ersten Blick ein Ding der Unmöglichkeit, handelt es sich doch um einen klassisch verbotenen Vorgang.

Eine Gruppe von Theoretikern um Karen Hatsagortsyan in der Abteilung von Christoph Keitel am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) hat nun mittels der sog. „Wigner-Methode“ eine Lösung dieses Problems gefunden: Hierbei wird zunächst quantenmechanisch die Schrödinger-Gleichung für ein Atom in einem starken elektrischen Feld gelöst. Dann wird die dazu entsprechende „quasiklassische“ Bahn gesucht, der „dominierende Quantenpfad“, der mit der größten Wahrscheinlichkeit zwei Punkte verbindet.

Hieraus ergeben sich dann die Tunnelzeit und die Geschwindigkeit am Tunnelausgang. Im Bereich der untersuchten Laser-Intensitäten braucht das Elektron den Berechnungen zufolge zwischen 80 und 180 Attosekunden, um die Barriere zu durchtunneln. Eine Femtosekunde ist der Millionste Teil einer Milliardstel Sekunden und eine Attosekunde noch einmal einen Faktor 1000 kürzer.

Diese beiden Größen sind nicht direkt messbar, aber sie bestimmen die weitere Entwicklung und es kann daraus die experimentell zugängliche endgültige Geschwindigkeit des Elektrons berechnet werden. Es bietet sich an, Laserlicht mit elliptischer Polarisation zu verwenden – der elektrische Feldvektor rotiert hier auf einer Ellipse. Das in einem solchen Feldverlauf freigesetzte Elektron zeigt ebenfalls eine ellipsenförmige Geschwindigkeits- bzw. Impulsverteilung, die gegenüber der Richtung des maximalen Feldes um einen bestimmten Winkel verdreht ist.

In diesen Winkel gehen die erwähnten Anfangsbedingungen – u.a. die „Startzeit“ ein, weswegen man auch von einer „Attouhr“ spricht: Ein Umlauf (360°) entspricht für die verwendete Laserfrequenz einer Zeit von ca. 2,7 Femtosekunden und ein Winkelgrad demnach ca. 8 Attosekunden.

Nun ist die Übersetzung des Winkels in eine Zeit nicht so einfach, da neben der Tunnelzeit auch noch die Anfangsgeschwindigkeit und die nachfolgende Bewegung in den überlagerten elektrischen Feldern des positiven Rest-Ions und des Lasers zu berücksichtigen sind. Abb. 1b skizziert die unterschiedliche Bewegung für das „Simple-man model“ und die Beschreibung mit der Wigner-Methode.

Erschwerend kommt hinzu, dass der resultierende Effekt sehr klein ist und zudem die Stärke des Laserfeldes eingeht, welche sich experimentell absolut nur recht ungenau bestimmen lässt. Um dieses Problem zu umgehen, haben die Experimentalphysiker um Robert Moshammer in der Abteilung von Thomas Pfeifer am MPIK folgenden Trick verwendet: Sie untersuchten gleichzeitig ein Gemisch aus den Edelgasen Argon und Krypton, deren Ionisationsenergie und damit die Höhe der Barriere und Länge der Tunnelstrecke für ein gegebenes Feld sich geringfügig unterscheiden.

Im „Simple-man model“ sollten sich beide Atome für verschiedene Laserintensitäten praktisch gleich verhalten, da ja Tunnelzeit und Anfangsgeschwindigkeit immer gleich Null sind. In der Beschreibung nach Wigner gehen aber Tunnellänge und Barrierenhöhe ein, welche bei zunehmender Feldstärke kleiner werden.

In der Tat konnte ein kleiner, aber messbarer Unterschied im Drehwinkel zwischen Argon und Krypton gefunden werden (Abb. 3a). Mit zunehmender Intensität wird dieser Unterschied noch größer (Abb. 3b). Ein Maß für die Laserintensität ist die Größe der Ellipse im Maximum der gemessenen Impulsverteilung. Das Ergebnis ist quantitativ in guter Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage, was das Wigner-Modell bestätigt und damit belegt, dass der Tunnelprozess Zeit braucht, die zudem von der Tunnellänge abhängt.

Originalveröffentlichung:

Experimental evidence for quantum tunneling time
Nicolas Camus, Enderalp Yakaboylu, Lutz Fechner, Michael Klaiber, Martin Laux, Yonghao Mi, Karen Z. Hatsagortsyan, Thomas Pfeifer, Christoph H. Keitel and Robert Moshammer
Phys. Rev. Lett. 119, 023201 (2017); DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.023201

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Pfeifer
MPI für Kernphysik
Tel.: +49 6221-516-380
E-Mail: thomas.pfeifer(at)mpi-hd.mpg.de

Hon.-Prof. Dr. Christoph H. Keitel
MPI für Kernphysik
Tel.: +49 6221-516-150
E-Mail: christoph.keitel(at)mpi-hd.mpg.de

Weitere Informationen:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.023201 Orginalveröffentlichung
https://www.mpg.de/7099981/quantenmechanisch_tunneleffekt_relativistisch MPG-Presseinformation „Tunneln nahe der Lichtgeschwindigkeit“
https://www.mpi-hd.mpg.de/pfeifer/page.php?id=25 Gruppe „Atoms and molecules in ultra-short laser pulses“ am MPIK
https://www.mpi-hd.mpg.de/personalhomes/karen/ Gruppe „Relativistic and Ultrashort Quantum Dynamics“ am MPIK

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics