Dem Elektron beim Tunneln zusehen: Physiker vermessen die Raum-Zeit-Grenze der Quantenwelt
Regensburger Physiker haben erstmals systematisch vermessen, dass sich Ort und Zeitverlauf eines Elektrons nicht gleichzeitig beliebig scharf bestimmen lassen – eine Raum-Zeit-Grenze mit Folgen für ultraschnelle Elektronik und Chemie.
Werner Heisenbergs Unschärferelation gehört zu den bekanntesten Regeln der Quantenphysik: Ort und Impuls eines Teilchens lassen sich nie gleichzeitig beliebig genau bestimmen. Zwischen Ort und Zeit dagegen kennt die Theorie keine solche Grenze – zumindest auf dem Papier. Ein Forschungsteam der Universität Regensburg hat nun gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg gezeigt, dass es in der Praxis trotzdem eine gibt: Aufenthaltsort und zeitliche Entwicklung eines Elektrons lassen sich nicht gleichzeitig beliebig scharf erfassen. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Nature Photonics erschienen.
Zeitlupenfilme aus dem Nanokosmos
Hinter der Arbeit steht das Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN), das sich auf ultraschnelle Mikroskopie spezialisiert hat. Das Ziel: nicht nur gestochen scharfe Standbilder einzelner Atome und Moleküle, sondern regelrechte Zeitlupenfilme davon, wie sich Elektronen durch Materie bewegen. Bereits vor rund zehn Jahren gelang es in Regensburg, die Bewegung eines einzelnen Moleküls in Raum und Zeit aufzulösen. Elektronen sind allerdings eine andere Liga – sie bewegen sich auf diesen Längenskalen etwa tausendfach schneller, in Zeiträumen von Attosekunden.
Die Dimensionen sind schwer vorstellbar: Eine Attosekunde ist der milliardstel Teil einer milliardstel Sekunde. Sie verhält sich zu einer Sekunde ungefähr so wie eine Sekunde zum Alter des Universums.
Eine Hochgeschwindigkeitskamera für Wellenpakete
Um auf diese Zeitskalen vorzudringen, entwickelte das Team um die Professoren Jascha Repp und Rupert Huber ein neues Lasersystem. Dessen präzise gesteuerte Lichtblitze lenken einzelne Elektronen so, dass sie von einer atomar feinen Metallspitze auf eine Silberoberfläche übergehen – über einen Abstand von nur wenigen Atomdurchmessern. Gemessen wird der dabei fließende Strom; die zeitliche Information liefert der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen.
Das Bemerkenswerte: Die Elektronen verhalten sich dabei nicht wie klassische Teilchen. Als quantenmechanische Wellen „tunneln“ sie durch eine Energiebarriere, für deren Überwindung ihnen nach klassischer Physik die Energie fehlen würde. Die Messung funktioniere wie eine Hochgeschwindigkeitskamera für Elektronen-Wellenpakete, beschreibt es das Forschungsteam – man sieht, zu welchem Zeitpunkt der Tunnelprozess stattfindet. Aufwändige Quantensimulationen der Gruppe um Angel Rubio in Hamburg bestätigten die Messungen und förderten ein weiteres Detail zutage: Das Elektron folgt dem Lichtfeld nicht sofort, sondern mit einer winzigen Verzögerung von rund 500 Attosekunden.
Je schärfer die Zeit, desto unschärfer der Ort
Der Kern der Entdeckung ist ein Zielkonflikt, der an Heisenberg erinnert, aber eine eigene Qualität hat: Je genauer die Forschenden das Elektron zeitlich „festnageln“ wollen, desto mehr Energie müssen sie aufwenden – und desto stärker dehnt sich das Elektronenpaket räumlich wieder aus. Diese Raum-Zeit-Grenze quantenmechanischer Wellenfunktionen war bislang eher eine vage Vermutung; nun ließ sie sich erstmals systematisch vermessen, unter anderem mithilfe eines einzelnen, gezielt auf der Oberfläche platzierten Atoms.
Die gute Nachricht für die Mikroskopie: Trotz starker Anregung bleiben die Wellenpakete räumlich scharf genug, um atomar auflösende Aufnahmen auf Attosekunden-Zeitskalen zu ermöglichen.
Was daraus werden könnte
Die möglichen Anwendungen reichen weit über die Grundlagenforschung hinaus. Wird ein Elektron auf ein extrem kleines Raum-Zeit-Volumen begrenzt, entstehen nach Angaben der Forschenden lokale Spitzenstromdichten von bis zu einer Billion Ampere pro Quadratzentimeter. Künftig wolle man mit solchen Wellenpaketen gezielt chemische Reaktionen auslösen und dabei zusehen, wie chemische Bindungen aufbrechen, erläutert Projektleiter Repp. Sein Kollege Huber verweist auf eine langfristige Perspektive: Elektronik und Quanteninformationsverarbeitung könnten eines Tages an der intrinsischen Geschwindigkeitsgrenze der Elektronenbewegung selbst arbeiten – nach Einschätzung der Regensburger Physiker hunderttausendfach schneller als heutige CMOS-Technologie. Ob und wann daraus marktreife Technik wird, ist naturgemäß offen; solche Ausblicke sind als Forschungsperspektive zu verstehen, nicht als Produktankündigung.
Redaktionelle Einordnung auf Basis einer Pressemitteilung des Informationsdienstes Wissenschaft (idw) zur Veröffentlichung „Tracking electrons at the space-time-limit“ in Nature Photonics (2026).
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