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Zu den überraschendsten und kontraintuitivsten Phänomenen, die seit dem Aufkommen der Quantenmechanik entdeckt wurden, gehört das „Quantentunneln“.
Quantentunneln zeigt die Fähigkeit eines Teilchens, eine Barriere zu überwinden, was ihm in der klassischen Physik nicht möglich wäre, weil es nicht über die nötige Energie dafür verfügt. Das Phänomen entsteht aufgrund des Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips, das in einfachen Worten besagt, dass Geschwindigkeit und Position eines Quantensystems nicht gleichzeitig genau bekannt sein können.
Die Beschreibung eines Teilchens als Wahrscheinlichkeitswelle bedeutet, dass immer eine geringe Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein Teilchen auf der anderen Seite einer unüberwindbaren Barriere erscheinen kann. Wenn dies der Fall ist, hat es die Barriere nicht übersprungen, sondern einen Quantentunnel durch sie hindurch durchlaufen, der im Gegensatz zum herkömmlichen Tunneln keinen Einfluss auf die Barriere selbst hat.
Stellen Sie sich als Analogie ein Kind vor, das einen Ball gegen eine hohe Wand wirft. Das Kind hat nicht die Energie, die Wand zu überwinden, und dennoch landet der Ball irgendwie in den preisgekrönten Petunien nebenan. Dem Ball wurde durch den Wind kein zusätzlicher Auftrieb verliehen, und es gibt keine Löcher in der Wand, durch die der Ball hätte rutschen können, er erschien einfach auf der anderen Seite der Wand.
Das mag esoterisch erscheinen, aber Quantentunneln ist für die Existenz des Lebens selbst unerlässlich. Die thermonuklearen Fusionsprozesse, die die Sonne und jeden anderen Stern im Universum antreiben, wären nicht möglich, wenn Wasserstoffkerne sie nicht nutzen könnten, um die elektromagnetische Abstoßung zu überwinden, die sie voneinander trennt. Ohne Quantentunnel und ohne Sternenlicht wäre das Universum ohne Quantentunnel ein kalter, dunkler und leerer Ort.
Dieser kontraintuitive Aspekt der Natur im kleinen Maßstab hat eine Fülle von Anwendungen in der Physik, Chemie und Technologie, beispielsweise in Halbleitern und Quantencomputing.
Darüber hinaus kann das Verständnis des Quantentunnelns auch dazu beitragen, neue Materialien und Technologien zu entwickeln, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren. Es kann sogar in der Medizin bei der Krebstherapie eingesetzt werden, bei der das Phänomen genutzt wird, um Medikamente gezielt an Tumorzellen zu schicken.
Experimentieren mit Quantentunneln
Kein Wunder, dass Forscher intensiv daran arbeiten, den Quantentunneleffekt besser zu verstehen. Eine neue Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Naturwissenschaften von Forschern der Abteilung Dynamik an Oberflächen am Max-Planck-Institut für multidisziplinäre Wissenschaften, darunter Alec Wodtke und Dirk Schwarzer, untersucht eine Form dieses Quantenphänomens, das resonanzverstärkte kondensierte Phasentunnelung genannt wird.
„In der kondensierten Phase befinden sich die Reaktantenmoleküle in Potentialtöpfen, die durch Barrieren getrennt sind. Für Quantensysteme gebundener Teilchen existieren nur bestimmte diskrete Energiezustände. Wenn zwei Zustände in benachbarten Potentialtöpfen die gleiche Energie haben, spricht man von Resonanz.“ sagte Schwarzer. „Während das Phänomen des resonanten Tunnelns für die Elektronenübertragung durch Barrieren in Quantentopfstrukturen bekannt ist, wurde es bei schweren Teilchen in einer chemischen Reaktion in der kondensierten Phase noch nie zuvor beobachtet.“
Die Forscher untersuchten die Orientierungsisomerisierung – die Umwandlung der Konformation eines Moleküls – eines Kohlenmonoxid (CO)-Moleküls, das an eine Natriumchlorid (NaCl)-Kristalloberfläche gebunden ist.
Quantentunneln wird durch die Wahrscheinlichkeit definiert, mit der ein Teilchen auf der gegenüberliegenden Seite einer Barriere gefunden wird. Durch ihre Experimente stellte das Team ganz zufällig fest, dass diese Wahrscheinlichkeit bei Systemen in Resonanz (in Phase zueinander) größer ist als bei Systemen, die nicht in Resonanz sind. Sie entdeckten noch etwas anderes, etwas Überraschendes.
„In der stabilsten Konfiguration ist das CO-Molekül mit dem Kohlenstoffatom an das Na gebunden+ Ion auf der Oberfläche. Wir haben herausgefunden, dass es auch eine metastabile Upside-Down-Konfiguration gibt, bei der der Sauerstoff an das Na gebunden ist+ „Ion“, sagte Schwarzer. „Wir haben gelernt, den auf den Kopf gestellten Zustand vorzubereiten, die Reaktionsgeschwindigkeit des Rückwärtsdrehens in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen und, was am wichtigsten ist, die Reaktantenmasse durch Isotopenaustausch variiert.“ [the replacement of the lighter carbon atom 12C by the heavier isotope 13C, or replacement of the lighter oxygen atom 16O by the heavier isotope 18O, or both].“
Er fügte hinzu, dass die vom Team gemessene Reaktionsgeschwindigkeit eine unerwartet starke und nicht intuitive Massenabhängigkeit aufwies, die nur durch die Annahme eines Resonanztunnelns erklärt werden kann. Aber warum ist das überraschend?
Dem Quantentopf entkommen
Die mit Partikeln verbundenen Wellen, sogenannte De-Broglie-Wellen, nehmen mit abnehmender Partikelmasse an Größe zu. Aus diesem Grund zeigen Alltagsgegenstände kein quantenartiges, wellenartiges Verhalten; Ihre Masse ist zu groß und ihre De-Broglie-Wellen sind zu klein.
Stellen Sie sich noch einmal einen Ball vor, der von einem Kind geworfen wird, ohne die nötige Energie zu haben, um die Höhe der Wand zu überwinden. Es kann nicht auf die andere Seite quantentunneln, da seine Masse eine Wahrscheinlichkeitswelle erzeugt, die zu klein ist, als dass die Wahrscheinlichkeit besteht, dass es sich auf der anderen Seite der Barriere befindet. Gängige Quantentheorien sagen voraus, dass je kleiner die Masse eines Teilchens ist, desto größer ist die De-Broglie-Welle und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchenquant durch eine Barriere tunnelt.
Das heißt, wenn es viele leichtere und viele schwerere Teilchen sowie eine Quantenbarriere gibt, tunneln beide, aber die leichteren Teilchen sollten schneller quantentunneln als die schweren Teilchen. Was Schwarzer und Kollegen jedoch herausfanden, war, dass die Beziehung zwischen Quantentunneln tatsächlich chaotischer ist als bisher angenommen.
„In unseren Studien haben wir überraschend Beispiele gefunden, bei denen die Tunnelgeschwindigkeit zunahm, wenn die Masse durch Isotopensubstitution zunahm“, sagte Schwarzer. „Diese Beobachtung ist ein klarer Hinweis auf Tunnelresonanz, deren Auftreten unregelmäßig von der Masse abhängt.“
Das Team möchte nun seine Erkenntnisse auf die Art und Weise anwenden, wie in der Kälte des Weltraums Tunneln in der Materie stattfindet, insbesondere in den Gas- und Staubwolken, die zwischen Sternen existieren, und auf deren Potenzial, durch Quantentunneln komplexe Moleküle zu erzeugen.
„Dies ist besonders relevant für chemische Reaktionen, die in kalten interstellaren Wolken stattfinden, wo die Temperaturen hoch sind [and thus energy] sind so niedrig, dass Prozesse, die über die Barriere hinausgehen, unterdrückt werden und viele Reaktionen vermutlich vollständig durch Quantentunneln bestimmt werden“, erklärte Schwarzer.
Schon vor dieser Anwendung zeigt die Studie, wie weit die Quantenforschung seit ihren Anfängen fortgeschritten ist und wie sie immer wieder für Überraschungen sorgt.
„Ich denke, dass die Begründer der Quantenmechanik zwar bereits die grundlegenden Theorien des Tunnelns entwickelt und klare Vorstellungen von Konzepten wie der Resonanzverstärkung hatten, sie sich aber sicherlich nicht vorstellen konnten, wie wichtig dieses Gebiet in Technologie und Wissenschaft werden würde“, sagte Schwarzer. „Sie wären erstaunt und begeistert von den ausgefeilten Techniken, die heutzutage zur Erforschung der Grundlagen der Quantenmechanik eingesetzt werden.“
Referenzen: AM Wodtke., et al., Manipulation von Tunneltoren bei der Isomerisierung in kondensierter Phase, Naturwissenschaften (2023). DOI: 10.1002/ntls.20230006
Bildnachweis des Beitrags: Milad Fakurian auf Unsplash
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