Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Tunneleffekt relativistisch betrachtet

17.04.2013
Für den Weg durch einen quantenmechanischen Tunnel brauchen Teilchen offenbar länger, als viele Physiker bislang annahmen.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg belegen jetzt, dass es eine sehr kurze, aber messbare Zeit braucht, um das Hindernis zu durchdringen. Das ist ein Ergebnis ihrer theoretischen Studie eines Elektrons, das von seinem Atomkern und einem intensiven Laser bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird und aus dem Atom heraus tunnelt.


Abb. 1: Schematische Darstellung der Tunnelionisation eines hochgeladenen Ions bei relativistischen Laserintensitäten. Die Überlagerung des Coulomb-Potentials des Atomkerns mit dem elektrischen Feld des Lasers bildet eine Potentialbarriere (blau), durch welche das Wellenpaket des Elektrons (grün) in Richtung der elektrischen Feldkomponente hinaus tunneln kann. Im Gegensatz zum nicht-relativistischen Fall wird die Energie des Elektrons (rote Fläche) durch die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld ortsabhängig. Darüber hinaus wird das Wellenpaket schon während des Tunnelns durch den ‚Lichtdruck‘ in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls verschoben (durchgezogene grüne Linie, näheres siehe Text).
MPI für Kernphysik

Ein Ball, der einen Hügel hinaufrollt, kann diesen nicht überwinden, wenn seine Anfangsgeschwindigkeit dafür nicht ausreicht. In der Quantenwelt der Atome kann dagegen ein Teilchen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auf die andere Seite einer Barriere gelangen, auch wenn seine Bewegungsenergie aus klassischer Sicht dafür nicht ausreicht. Physiker sprechen hier vom ‚Tunneleffekt‘, weil das Teilchen die Barriere scheinbar durchtunnelt. Dieser ist von grundlegender Bedeutung und seine Auswirkungen reichen vom radioaktiven Zerfall bis zur technischen Anwendung im Rastertunnelmikroskop. Eine bis heute zum Teil kontrovers diskutierte Frage betrifft die Zeit, die ein Teilchen für das Tunneln braucht, da diesem Vorgang keine klassische Bewegung entspricht.

Ein Beispiel für quantenmechanisches Tunneln bilden Atome, die einem starken Laserfeld ausgesetzt sind. Bildlich gesprochen hat das attraktive Coulomb-Potential des Atomkerns, welches das Elektron an das Atom bindet, die Form eines Trichters. Diesem überlagert sich wie eine geneigte Ebene das elektrische Feld, welches das Elektron herauszerrt. Es bildet sich eine so genannte Potentialbarriere, die das gebundene Elektron vom Bereich freier Bewegung trennt (Abbildung). Handelt es sich bei dem Atom um ein hochgeladenes wasserstoffähnliches Ion (Atomkern plus ein einzelnes Elektron), so bedarf es Laserintensitäten in der Größenordnung von 10^18 W/cm2, um eine nennenswerte Tunnelwahrscheinlichkeit zu erreichen. Bei so hohen Intensitäten muss neben dem elektrischen Feld auch die Wirkung des Magnetfeldes auf das Elektron mit berücksichtigt werden. Dies erfordert eine relativistische Beschreibung des Systems, die über das konventionelle Bild des Tunnelns durch eine Barriere hinausgeht.

Michael Klaiber und Kollegen aus der Abteilung von Christoph Keitel am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik haben die Ionisation wasserstoffähnlicher Ionen in ultrastarken Feldern einschließlich der relativistischen Effekte theoretisch untersucht. Sie konnten zeigen, dass sich das Bild der Tunnelionisation entgegen früherer Vermutungen bei entsprechender Anpassung der Barriere aufrechterhalten lässt. Zudem gewannen sie neue Erkenntnisse zur ‚Tunnelzeit‘. Bisherige experimentelle Versuche, die Tunnelzeit direkt zu messen, waren nicht erfolgreich. Im Rahmen der erreichbaren Messgenauigkeit verläuft das Tunneln praktisch instantan, was auch von quasiklassischen Näherungen des Tunnelverhaltens vorhergesagt wird.

„Wir haben zwei charakteristische Zeiten identifiziert, die sich indirekt bestimmen lassen könnten“, erläutert Michael Klaiber. Da ist zum einen die so genannte Keldysh-Zeit – anschaulich die Zeit, die das Elektron mit seiner klassischen Geschwindigkeit im Atom braucht, um die Tunnelstrecke zu durchqueren. Die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld führt generell zu einer Komponente der Endgeschwindigkeit des Elektrons in Richtung des Laserstrahls. Dieser ‚Lichtdruck‘ wirkt einerseits auf die Bewegung des freien Elektrons, nachdem es das Atom durch die Tunnelstrecke verlassen hat. „In unseren Rechnungen fanden wir aber systematisch einen zusätzlichen Beitrag, der proportional zur Keldysh-Zeit ist, also eine Wirkung des Lichtdrucks während des Tunnelns“, so Heiko Bauke, ein weiterer Postdoc auf dem Projekt. Im Prinzip sollte dieser Effekt in Messungen beobachtbar sein.

Die andere Tunnelzeit ist nach den Physikern Eisenbud, Wigner und Smith benannt und betrachtet die Bewegung eines Wellenpakets durch die Barriere. Gegenüber der quasiklassischen Näherung, in der das Tunneln praktisch keine Zeit braucht, ergibt sich hier in der genaueren Rechnung eine endlich große Zeit. Während dieser Tunnelzeit bewirkt der Lichtdruck eine kleine räumliche Verschiebung des Wellenpakets. Der Effekt ist aber leider nicht messbar, da er nur in unmittelbarer Nähe des Atoms auftritt – zu späteren Zeiten ergibt sich kein Unterschied mehr zur quasiklassischen Beschreibung. Dies sollte sich aber ändern, wenn die Tunnelstrecke relativ kurz ist, also bei recht hohen Intensitäten des Laserfeldes. Entsprechende weitergehende Untersuchungen sind aktuell in Arbeit.

Originalveröffentlichung:
Under-the-barrier dynamics in laser-induced relativistic tunneling
Michael Klaiber et al., Phys. Rev. Lett. 110, 153004 (2013)
doi:10.1103/PhysRevLett.110.153004
Kontakt:

Hon.-Prof. Dr. Christoph H. Keitel
Tel.: 06221 516-150
E-Mail: christoph.keitel@mpi-hd.mpg.de

Dr. habil. Karen Z. Hatsagortsyan
Tel.: 06221 516-160
E-Mail: Karen.Hatsagortsyan@mpi-hd.mpg.de
Weitere Informationen:
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.110.153004
Originalveröffentlichung
http://www.mpi-hd.mpg.de/keitel/
Abteilung Keitel am MPIK

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Tanz mit dem Feind
12.12.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Bose-Einstein-Kondensate können Gravitationswellen derzeit wohl kaum nachweisen
12.12.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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: Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab

Zusammen mit einem Blutdrucksenker hemmt ein häufig verwendetes Diabetes-Medikament gezielt das Krebswachstum – dies haben Forschende am Biozentrum der Universität Basel vor zwei Jahren entdeckt. In einer Folgestudie, die kürzlich in «Cell Reports» veröffentlicht wurde, berichten die Wissenschaftler nun, dass dieser Medikamenten-Cocktail die Energieversorgung von Krebszellen kappt und sie dadurch abtötet.

Das oft verschriebene Diabetes-Medikament Metformin senkt nicht nur den Blutzuckerspiegel, sondern hat auch eine krebshemmende Wirkung. Jedoch ist die gängige...

Im Focus: Lethal combination: Drug cocktail turns off the juice to cancer cells

A widely used diabetes medication combined with an antihypertensive drug specifically inhibits tumor growth – this was discovered by researchers from the University of Basel’s Biozentrum two years ago. In a follow-up study, recently published in “Cell Reports”, the scientists report that this drug cocktail induces cancer cell death by switching off their energy supply.

The widely used anti-diabetes drug metformin not only reduces blood sugar but also has an anti-cancer effect. However, the metformin dose commonly used in the...

Im Focus: New Foldable Drone Flies through Narrow Holes in Rescue Missions

A research team from the University of Zurich has developed a new drone that can retract its propeller arms in flight and make itself small to fit through narrow gaps and holes. This is particularly useful when searching for victims of natural disasters.

Inspecting a damaged building after an earthquake or during a fire is exactly the kind of job that human rescuers would like drones to do for them. A flying...

Im Focus: Neuartige Lasertechnik für chemische Sensoren in Mikrochip-Größe

Von „Frequenzkämmen“ spricht man bei speziellem Laserlicht, das sich optimal für chemische Sensoren eignet. Eine revolutionäre Technik der TU Wien erzeugt dieses Licht nun viel einfacher und robuster als bisher.

Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Alle Photonen, die er abstrahlt, haben genau dieselbe Wellenlänge. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht...

Im Focus: Topological material switched off and on for the first time

Key advance for future topological transistors

Over the last decade, there has been much excitement about the discovery, recognised by the Nobel Prize in Physics only two years ago, that there are two types...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

ICTM Conference 2019 in Aachen: Digitalisierung als Zukunftstrend für den Turbomaschinenbau

12.12.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Januar und Februar 2019

11.12.2018 | Veranstaltungen

Eine Norm für die Reinheitsbestimmung aller Medizinprodukte

10.12.2018 | Veranstaltungen

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

Biofilme generieren ihre Nährstoffversorgung selbst

12.12.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Tanz mit dem Feind

12.12.2018 | Physik Astronomie

Künstliches Perlmutt nach Mass

12.12.2018 | Materialwissenschaften

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