Die Quantenmechanik beschreibt Eigenschaften, die auf der Teilchenebene von Bedeutung sind. In Quantenphysik werden diese Phänomene als mikroskopisch bezeichnet, obwohl sie viel kleiner sind als das, was man mit einem optischen Mikroskop sehen würde. Dies steht im Gegensatz zu makroskopischen Phänomenen, die aus einer großen Anzahl von Teilchen bestehen. Ein gewöhnlicher Ball zum Beispiel besteht aus einer großen Anzahl von Molekülen und zeigt keine quantenmechanischen Effekte. Wir wissen, dass der Ball jedes Mal abprallt, wenn er gegen die Wand geworfen wird. Aber ein einzelnes Teilchen durchquert manchmal eine ähnliche Barriere in seiner mikroskopischen Welt und erscheint auf der anderen Seite. Dieses quantenmechanische Phänomen wird als Tunneln bezeichnet.

Mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik werden Experimente gewürdigt , die gezeigt haben, dass der Quantentunnel-Effekt auch auf makroskopischer Ebene beobachtet werden kann, wenn viele Teilchen beteiligt sind. Sie konstruierten einen Stromkreis aus zwei Supraleitern, einem Material, das Elektrizität ohne elektrischen Widerstand leitet. Die Supraleiter waren durch eine dünne Schicht aus einem Material getrennt, das überhaupt nicht leitfähig war.

Dieses teilchenähnliche System befindet sich in einem Zustand, in dem Strom ohne Spannung fließt - und er hat nicht genug Energie, um aus ihm zu entweichen. Im Experiment zeigt sich die Quantennatur des Systems, wenn es durch Tunneln aus dem spannungslosen Zustand befreit wird und eine elektrische Spannung erzeugt. Die Preisträger konnten auch zeigen, dass das System gequantelt ist, das heißt, dass es nur eine bestimmte Energiemenge aufnehmen oder abgeben kann.

Tunnels und Kreuzungen

Die preisgekrönten Forscher verfügten über Konzepte und experimentelle Instrumente, die über mehrere Jahrzehnte hinweg entwickelt wurden. Neben der Relativitätstheorie ist die Quantenphysik die Grundlage der modernen Physik, und die Forscher haben einen Großteil des letzten Jahrhunderts damit verbracht, solche Phänomene zu erforschen.

Im Jahr 1928 entdeckte der Physiker George Gamow, dass das Tunneln der Grund dafür ist, dass einige schwere Atomkerne auf eine bestimmte Weise zerfallen. Durch die Wechselwirkung der Kräfte im Kern entsteht eine Barriere, die die Teilchen im Inneren festhält. Trotzdem kann sich manchmal ein kleines Stück des Kerns lösen, der Barriere entkommen und entkommen - und einen Kern zurücklassen, der zu einem anderen Element geworden ist. Ohne Tunnelbau würde diese Art von Zerfall nicht stattfinden.

Das Tunneln ist ein quantenmechanischer Prozess, bei dem der Zufall eine Rolle spielt. Der Kern einiger Atome bildet eine hohe, breite Barriere, so dass es lange dauern kann, bis ein Stück des Kerns außerhalb der Barriere auftaucht, während andere Atome leichter zerfallen. Wenn wir nur ein einziges Atom betrachten, können wir nicht vorhersagen, wann dies geschehen wird, aber wenn wir den Zerfall einer großen Anzahl von Kernen desselben Atomtyps beobachten, können wir die erwartete Zeit für das Auftreten des Tunneleffekts messen. Dies wird meist durch die Halbwertszeit beschrieben, d. h. die Zeit, die die Hälfte der Probe braucht, um zu zerfallen.

Einige der neuartigen Experimente beruhen auf einem Phänomen, das auftritt, wenn bestimmte Materialien extrem kalt werden.

In einem normalen leitenden Material fließt Strom, weil sich die Elektronen darin frei bewegen können. In einigen Materialien können sich die einzelnen Elektronen, die den Leiter durchqueren, selbst organisieren und einen synchronen Tanz des widerstandslosen Fließens aufführen. Das Material wird zu einem Supraleiter und die Elektronen schließen sich zu Paaren zusammen. Diese werden Cooper-Paare genannt, nach Leon Cooper, der zusammen mit John Bardeen und Robert Schrieffer die Funktionsweise von Supraleitern im Detail beschrieben hat (wofür sie 1972 den Nobelpreis erhielten).

Cooper-Paare verhalten sich ganz anders als herkömmliche Elektronen. Elektronen haben eine hohe Integrität und halten sich gerne voneinander fern - keine zwei Elektronen können sich am selben Ort befinden, wenn sie die gleichen Eigenschaften haben. Das sieht man zum Beispiel in einem Atom, wo die Elektronen in verschiedene Energieniveaus, sogenannte Schalen, eingeteilt sind. In Supraleitern verlieren die Elektronen jedoch etwas von ihrer Individualität, wenn sie Paare bilden: Während zwei getrennte Elektronen immer unterschiedlich sind, können zwei Cooper-Paare genau gleich sein. Das bedeutet, dass Cooper-Paare in Supraleitern als eine einzige Einheit, ein einziges quantenmechanisches System, beschrieben werden können. In der Sprache der Quantenmechanik werden sie als eine einzige Wellenfunktion beschrieben. Diese Wellenfunktion beschreibt die Wahrscheinlichkeit, das System in einem bestimmten Zustand und mit bestimmten Eigenschaften zu beobachten.

Wenn zwei Supraleiter durch eine dünne Isolierschicht verbunden sind, entsteht ein Josephson-Übergang. Er ist nach Brian Josephson benannt, der die entsprechenden quantenmechanischen Berechnungen durchgeführt hat. Er entdeckte die interessanten Phänomene, die auftreten, wenn die Wellenfunktionen auf beiden Seiten des Übergangs berücksichtigt werden (wofür er 1973 den Nobelpreis erhielt). Der Josephson-Übergang fand schnell Anwendung, u. a. bei der genauen Messung von physikalischen Grundkonstanten und Magnetfeldern.

Das Konzept bot auch neue Methoden zur Erforschung der Grundlagen der Quantenphysik. Einer von ihnen war Anthony Leggett (Nobelpreisträger 2003), dessen theoretische Arbeit über den makroskopischen Quantentunnel-Effekt des Josephson-Übergangs neue Arten von Experimenten inspirierte.

Das große Team

Diese Themen passten perfekt zu den Interessen von John Clarke. Clarke war ab 1968 Professor an der University of California, Berkeley, wo er eine Forschungsgruppe aufbaute, die sich auf die Untersuchung verschiedener Phänomene mit Supraleitern und Josephson-Kontakten spezialisierte.

Michel Devoret stieß Mitte der 1980er Jahre zu dieser Gruppe, nachdem er in Paris promoviert hatte. Zu der Gruppe gehörte auch John Martinis, ein Doktorand. Gemeinsam machten sie sich daran, die Existenz des makroskopischen Quantentunneleffekts nachzuweisen. Es bedurfte großer Sorgfalt und Präzision, um die Versuchsapparatur vor möglichen Störungen zu schützen. Es gelang ihnen, alle Eigenschaften ihrer elektrischen Schaltung zu verfeinern und zu messen, so dass sie sie im Detail verstehen konnten.

Um die Quantenphänomene zu messen, leiteten sie einen schwachen Strom in den Josephson-Übergang und maßen die Spannung, die mit dem elektrischen Widerstand der Schaltung zusammenhängt. Wie erwartet war die Spannung des Josephson-Übergangs zunächst gleich Null. Das liegt daran, dass sich die Wellenfunktion des Systems in einem Zustand befindet, in dem sich die Spannung nicht aufbauen kann. Anschließend wurde untersucht, wie lange das System braucht, um diesen Zustand zu verlassen. Da in der Quantenmechanik der Zufall eine Rolle spielt, wurde eine Reihe von Messungen durchgeführt und die Ergebnisse in Diagrammen dargestellt, aus denen die Zeit bis zum Nullpunkt der Spannung abgelesen wurde. Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie die Halbwertszeit von Atomkernen auf der Grundlage der Statistik zahlreicher Zerfallsereignisse gemessen wird.

Die Forscher bestätigten dies, als sie sahen, dass das System quantisierte Energieniveaus hat. Die Quantenmechanik verdankt ihren Namen der Beobachtung, dass Energie in mikroskopischen Prozessen in einzelne Pakete, so genannte Quanten, aufgeteilt wird. Die Preisträger haben Mikrowellen verschiedener Wellenlängen in den spannungslosen Zustand getrieben. Einige davon wurden absorbiert und das System bewegte sich dann auf ein höheres Energieniveau. Dabei zeigte sich, dass der spannungslose Zustand kürzer anhielt, wenn das System mehr Energie enthielt - genau wie von der Quantenmechanik vorhergesagt. Ein mikroskopisches Teilchen, das hinter einer Barriere gefangen ist, funktioniert auf die gleiche Weise.

Praktische und theoretische Implikationen

Dieses Experiment hat wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis der Quantenmechanik. Die anderen quantenmechanischen Effekte, die auf der makroskopischen Skala nachgewiesen wurden, setzen sich aus vielen kleinen Einzelteilen und deren separaten Quanteneigenschaften zusammen. Mikroskopische Faktoren addieren sich zu makroskopischen Phänomenen, wie sie bei Lasern, Supraleitern und supraflüssigen Flüssigkeiten auftreten. Bei diesem Experiment wurde jedoch ein makroskopischer Effekt - eine messbare Spannung - aus einem Zustand erzeugt, der selbst makroskopisch ist, nämlich in Form einer gemeinsamen Wellenfunktion einer großen Anzahl von Teilchen.

Theoretische Physiker wie Anthony Leggett haben das preisgekrönte makroskopische Quantensystem mit Erwin Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment verglichen, bei dem sich eine Katze in einer Schachtel befindet, und wenn man nicht hineinschaut, ist die Katze sowohl lebendig als auch tot. (Schrödinger erhielt 1933 den Nobelpreis.) Mit seinem Gedankenexperiment wollte er auf die Absurdität dieser Situation hinweisen, denn die besonderen Eigenschaften der Quantenmechanik verschwinden oft auf makroskopischer Ebene. Die Quanteneigenschaften einer ganzen Katze lassen sich nicht in einem Laborexperiment nachweisen.

Legget argumentierte jedoch, dass eine Reihe von Experimenten von John Clarke, Michel Devoret und John Martinis zeigten, dass es Phänomene gibt, an denen eine große Anzahl von Teilchen beteiligt ist, und dass sie sich zusammen genau so verhalten, wie es die Quantenmechanik vorhersagt.

Diese Art von makroskopischem Quantenzustand bietet neue Möglichkeiten für Experimente mit Phänomenen, die die mikroskopische Welt der Teilchen kontrollieren. Man kann es als ein großes künstliches Atom betrachten - ein Atom mit Kabeln und Steckdosen, das an neue Experimentiergeräte angeschlossen oder in neuen Quantentechnologien verwendet werden kann. Künstliche Atome werden u. a. dazu verwendet, andere Quantensysteme zu simulieren und zu verstehen.

Ein weiteres Beispiel ist das Quantencomputerexperiment, das Martinis inzwischen durchgeführt hat, wobei er genau die gleiche Energiequantisierung verwendete, die er und die beiden anderen Preisträger demonstriert haben. Er verwendete eine quantisierte Zustandsschaltung als informationstragende Einheit - ein Quantenbit. Supraleitende Schaltkreise gehören zu den Techniken, die bei Experimenten zum Bau künftiger Quantencomputer ausgiebig untersucht werden. Die diesjährigen Preisträger haben somit einen wichtigen Beitrag sowohl zur praktischen Nutzung von Physiklabors als auch zur Bereitstellung neuer Informationen geleistet, die für ein theoretisches Verständnis unserer physikalischen Welt erforderlich sind.