Kontraintuitiv, aber wahr! Drei erstaunliche Quanteneffekte, von wie vielen haben Sie schon gehört?

In der Physik gibt es viele äußerst wichtige Effekte, wie etwa den im Leben weit verbreiteten Doppler-Effekt, den berühmten photoelektrischen Effekt und den Meissner-Effekt, der hinter den Nachrichten zur Supraleitung steckt, nach denen in diesem Jahr häufig gesucht wurde. Als nächstes möchte ich Ihnen drei Effekte aus der Quantenphysik vorstellen, die sehr seltsam klingen, aber tatsächlich existieren.

Quantentunneleffekt

Wenn Sie die Verleihung des Nobelpreises für Physik 2023 verfolgt haben, haben Sie vielleicht einen Satz wie diesen gelesen: „Wenn ein Elektron nur durch eine schmale Potenzialbarriere gefangen ist, ermöglicht ihm die Quantenmechanik, hindurchzutunneln und zu entkommen.“ Das „Tunneln“ bezieht sich hier auf den „Quantentunneleffekt“ in der Quantenmechanik, der auch der erste magische Effekt ist, den ich mit Ihnen teilen möchte.

Wenn ich einen Basketball gegen eine Wand werfe, wird er zweifellos zurückprallen; das ist gesunder Menschenverstand. Aber was würde passieren, wenn wir diesen Basketball durch ein Elektron und diese Wand durch eine „Wand“ in der mikroskopischen Welt ersetzen – eine Quantenpotentialbarriere? Die Quantenmechanik lehrt uns, dass Elektronen eine gewisse Wahrscheinlichkeit haben, „durch eine Wand zu gehen“. Dieses seltsame Phänomen ist der Quantentunneleffekt.

Durch Quantentunneln können Teilchen eine Potentialbarriere durchdringen. (Foto/Universität Innsbruck/Harald Ritsch)

Tatsächlich durchquert das Elektron keine dichte, feste Wand wie der Basketball, sondern eine Reihe potenzieller Barrieren, die seine freie Bewegung einschränken. Quantentunneln ist möglich, weil sich Elektronen wie Wellen verhalten. Die Quantenmechanik verleiht jedem Teilchen die Eigenschaft einer Welle und die Wahrscheinlichkeit, dass eine Welle ein Hindernis durchdringt, ist immer endlich.

Schon bald entdeckten die Physiker, dass die Fähigkeit der Teilchen zum Tunneln viele Rätsel lösen könnte. Es erklärt verschiedene chemische Bindungen und den radioaktiven Zerfall und erklärt auch, wie Wasserstoffkerne in der Sonne die Abstoßung überwinden und zu Helium verschmelzen und Photonen freisetzen.

Obwohl der Quantentunneleffekt seit fast 100 Jahren entdeckt wurde, verstehen Physiker einige Details des Quantentunnelprozesses noch nicht vollständig. Beispielsweise sind sich die Physiker noch immer nicht sicher, ob der Tunneleffekt sofort auftritt oder einige Zeit dauert. Eine am 18. März 2019 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie zeigte, dass Elektronen in Wasserstoffatomen in nicht mehr als 1,8 Attosekunden aus den Atomen heraustunneln können. Dies ist eine extrem kurze Zeit, was bedeutet, dass der Tunnelvorgang nahezu augenblicklich erfolgt. Eine weitere am 22. Juli 2020 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie zeigte jedoch, dass Atome etwa 0,61 Millisekunden in einer Laserbarriere verweilten, bevor sie auf der anderen Seite „heraussprangen“. Dies bedeutet, dass die Dauer des Quantentunnelns nicht Null ist und die Dicke der Barriere und die Geschwindigkeit des Atoms bestimmen, wie lange das Atom darin verbleibt.

Obwohl die Physiker noch nicht alle Einzelheiten herausgefunden haben, wird der Quantentunneleffekt schon seit langem als Grundlage für einige Technologien verwendet, beispielsweise für Quantencomputer, Rastertunnelmikroskopie und mehr.

Aharonov-Bohm-Effekt

Als nächstes möchte ich den zweiten Effekt erwähnen, der Ihnen vielleicht unbekannt vorkommt: der Aharonov-Bohm-Effekt.

Im klassischen Elektromagnetismus sind elektrische und magnetische Felder die grundlegenden Einheiten, die für alle physikalischen Effekte verantwortlich sind. Beispielsweise wird ein winziges Teilchen nur dann durch das Feld beeinflusst (beschleunigt, verzögert oder dreht sich), wenn es in direktem Kontakt mit einem elektrischen oder magnetischen Feld steht.
Das elektromagnetische Feld kann durch eine Größe beschrieben werden, die als elektromagnetisches Potenzial bezeichnet wird und überall im Raum einen Wert hat. Aus dem elektromagnetischen Potenzial lässt sich das elektromagnetische Feld ableiten. Allerdings wurde das Konzept des elektromagnetischen Potenzials immer nur als ein rein mathematisches Konzept ohne physikalische Bedeutung betrachtet.

In der Quantenphysik wird es jedoch langsam interessant. Im Jahr 1959 schlugen zwei theoretische Physiker, Yakir Aharonov und David Bohm, ein Gedankenexperiment vor, das elektromagnetisches Potenzial mit messbaren Konsequenzen verband. In diesem Gedankenexperiment wird ein Elektronenstrahl in zwei Bahnen aufgeteilt, die jeweils um eine zylindrische Solenoid-Spule herumlaufen, wobei innerhalb der Spule ein Magnetfeld eingeschlossen ist. Daher können diese beiden Elektronenpfade durch einen Bereich verlaufen, in dem kein Feld existiert, aber das elektromagnetische Potenzial in diesem Bereich, in dem kein Feld existiert, ist nicht Null.

Der Aharonov-Bohm-Effekt ist ein quantenmechanischer Effekt. Bei diesem Effekt ändert sich die Phase eines Teilchens, wenn es sich in einem Bereich mit einem Magnetfeld bewegt, selbst wenn das Feld überall dort, wo das Teilchen vorbeikommt, Null ist. (Foto/E.Cohen et al.)
Aharonov und Bohm haben theoretisch nachgewiesen, dass die Elektronen auf diesen beiden unterschiedlichen Pfaden unterschiedliche Phasenänderungen erfahren und dass bei der Rekombination der Elektronen auf diesen beiden Pfaden ein erkennbarer Interferenzeffekt entstehen kann. Da sich die Phasenänderung aus der Stärke des Magnetfelds berechnen lässt, lässt sich die Interferenz als der Effekt interpretieren, dass die Elektronen das Magnetfeld nie direkt durchlaufen. Heute ist der Aharonov-Bohm-Effekt durch zahlreiche Experimente bestätigt.

Interessanterweise zeigte eine im Januar 2022 in der Zeitschrift Science veröffentlichte neue Studie, dass der Aharonov-Bohm-Effekt nicht nur auf Magnetfelder, sondern auch auf die Schwerkraft zutrifft.

Quanten-Hall-Effekt

Der dritte Effekt, den wir schließlich erwähnen möchten, ist eine sehr wichtige Entdeckung in der Festkörperphysik, nämlich der Quanten-Hall-Effekt.

Wir wissen, dass wir, wenn Strom durch einen Metallstreifen fließt, bei einer Messung senkrecht zur Stromrichtung feststellen werden, dass an den beiden Enden des Streifens normalerweise kein Potenzialunterschied besteht. Doch im Jahr 1879 entdeckte der damals erst 24-jährige Edwin Hall, dass, wenn ein Magnetfeld senkrecht auf die Ebene eines Metallstreifens wirkt, die Elektronen auf eine Seite abgelenkt werden und dadurch auf beiden Seiten des Metallstreifens eine elektrische Potenzialdifferenz entsteht. Dieses Phänomen wird Hall-Effekt genannt. Nur ein Jahr nach Halls Entdeckung stellte er in einem ferromagnetischen Material fest, dass der Hall-Effekt auch ohne äußeres Magnetfeld beobachtet werden kann. Dies wird als anomaler Hall-Effekt bezeichnet.

In den späten 1970er Jahren begannen Forscher, Halbleitermaterialien zu verwenden, um den Hall-Effekt bei niedrigen Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt) und starken Magnetfeldern (etwa 30 T) zu untersuchen. In Niedertemperatur-Halbleitermaterialien verfügen Elektronen über eine starke Beweglichkeit, können sich jedoch nur in einer zweidimensionalen Ebene bewegen. Diese geometrische Einschränkung führt zu vielen unerwarteten Effekten, darunter eine Änderung der Eigenschaften des Hall-Effekts, die durch Messung der Änderung des Hall-Widerstands mit der Stärke des Magnetfelds beobachtet werden kann.

Im Jahr 1980 entdeckte der deutsche Physiker Klaus von Klitzing unter ähnlichen Versuchsbedingungen, dass der Hall-Widerstand nicht wie erwartet gleichmäßig und allmählich mit der Änderung der magnetischen Feldstärke anstieg, sondern schrittweise und quantisiert anstieg. Von Klitzing erkannte, dass in diesem Fall der Wert des Hall-Widerstands mit zwei fundamentalen Konstanten zusammenhängt, von denen eine die Planck-Konstante h und die andere die Elektronenladung e ist, und dass er exponentiell mit der quantenphysikalischen Größe zusammenhängt, die sich aus diesen beiden Konstanten zusammensetzt. Von Klitzing entdeckte den ganzzahligen Quanten-Hall-Effekt, einen der wichtigsten und grundlegendsten Quanteneffekte im gesamten Bereich der Festkörperphysik. Für diese Entdeckung erhielt von Klitzing 1985 auch den Nobelpreis für Physik.

Ganzzahliger Quanten-Hall-Effekt (Bild/Public domain)

Nur zwei Jahre nachdem von Klitzing den ganzzahligen Quanten-Hall-Effekt entdeckt hatte, stießen die Experimentalphysiker Horst Störmer und Daniel Tsui auf ein noch rätselhafteres Phänomen: Sie stellten fest, dass sich die Hall-Leitfähigkeit bei niedrigeren Temperaturen und stärkeren Magnetfeldern auf Bruchteile eines Vielfachen der zuvor beobachteten Werte quantisierte. Es ist, als ob das Elektron irgendwie in kleinere Teilchen aufgespalten wäre, von denen jedes einen Bruchteil der Ladung des Elektrons trägt. 1998 erhielten Strömer und Tsui zusammen mit dem theoretischen Physiker Robert Laughlin den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit über den fraktionierten Quanten-Hall-Effekt.

Wir haben gerade erwähnt, dass Hall den anomalen Hall-Effekt entdeckt hat. Gibt es also auch den Quanten-Anomalen-Hall-Effekt (QAHE), also den Quanten-Hall-Effekt, der kein äußeres Magnetfeld benötigt? Die Antwort ist ja. Um den quantenanomalen Hall-Effekt experimentell beobachten zu können, werden allerdings extrem hohe Anforderungen an die Materialien gestellt. Dieses Material muss drei Bedingungen gleichzeitig erfüllen: Erstens muss das Material ferromagnetisch sein; zweitens muss das Innere des Materials isolierend sein; und drittens muss die elektronische Struktur innerhalb des Materials topologisch sein. Dies bedeutet, dass es eine enorme Herausforderung ist, den quantenmechanischen anomalen Hall-Effekt experimentell zu realisieren. Im Jahr 2013 gelang es Xue Qikun und seinem Team erstmals, den quantenanomalen Hall-Effekt in Cr-dotierten (Bi,Sb)₂Te₃-Filmen zu beobachten. Am 24. Oktober 2023 gewann Xue Qikun zudem die höchste Auszeichnung auf dem Gebiet der Festkörperphysik, den Buckley-Preis, für seine Forschungen zu topologischen Isolatoren und seine Entdeckung des quantenanomalen Hall-Effekts in topologischen Isolatoren.

Quellen:

https://www.nature.com/articles/122439a0

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1028-3

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2490-7

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7152

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Team: Prinzipal

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

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