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15.07.2017:
Quantenmechanisches Tunneln braucht Zeit

Experiment bestätigt theoretische Vorhersage zur Zeitdauer des Tunneleffekts

Abb. 1: Tunnel-Feldionisation in einem elliptisch polarisierten Laserfeld. Der Tunneleffekt ist ganz links dargestellt: Das Elektron tunnelt aus seinem anfänglichen Energieniveau im überlagerten Atom- und Feldpotential durch die Barriere. Rechts ist die Beschleunigung im Laserfeld für die beiden Fälle „Simple man“ und „Wigner“ skizziert, die sich in ihren Anfangsbedingungen unterscheiden.

Abb. 2: (a) Rotierender Feldvektor für elliptisch polarisiertes Licht. (b) Impulsverteilung für Feldionisation von Argon in elliptisch polarisierten Laserpulsen.

Abb. 3: (a) Winkelverteilung für Argon (grün) und Krypton (blau). (b) Rot: gemessene Winkeldifferenz (Argon/Krypton) für verschiedene Laserintensitäten. Theoretische Vorhersagen: „Wigner“ (durchgezogene schwarze Linie) und „Simple-man“ (gestrichelte schwarze Linie).

Welche Rolle spielt die Zeit beim quantenmechanischen Tunneleffekt? Dieser Frage sind Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik theoretisch und experimentell am Beispiel der Ionisation von Atomen in starken Laserfeldern nachgegangen. Die „Tunnelzeit“ eines Elektrons wird hierzu mit der „Wigner-Methode“ berechnet und die Anfangsbedingungen für die weitere Bewegung im Laserfeld bestimmt. Zum Test dieses Modells wurden die Edelgase Argon und Krypton zugleich unter identischen Bedingungen mit ultrakurzen Laserpulsen ionisiert. Im Vergleich mit dem etablierten „Simple-man model“, wo das Tunneln keine Zeit braucht, konnte die Vorhersage der Wigner-Methode bestätigt werden. [Physical Review Letters, 14. Juli 2017]

Zu den merkwürdigsten Vorgängen in der Quantenwelt gehört der Tunneleffekt. Während ein Ball, der auf eine Bodenwelle zurollt, bei zu geringer Geschwindigkeit diese nicht überwinden kann, vermögen Teilchen im Mikrokosmos Barrieren gleichsam zu durchtunneln. Eine solche Situation tritt bei Ionisation von Atomen in sehr starken elektrischen Feldern (z. B. in hochintensiven Laserpulsen) auf: Das Elektron befindet sich durch die Anziehungskraft des Atomkerns in einem Potentialtopf, der in Richtung des elektrischen Feldes verbogen wird. Die so gebildete Barriere kann das Elektron dann durchtunneln und auf diese Weise freigesetzt werden (Abb. 1a). Die Tunnelwahrscheinlichkeit ist dabei umso größer, je kürzer die Tunnelstrecke bzw. je stärker das elektrische Feld ist. Demzufolge tritt diese Feldionisation am ehesten im Maximum des eingestrahlten Laserpulses auf. Das freie Elektron wird dann im allmählich abklingenden Laserfeld beschleunigt und der am Ende aufgenommene Impuls (bzw. die Geschwindigkeit des Elektrons) kann experimentell gemessen werden. Die Bewegung im Laserfeld wird in guter Näherung als klassische Bahn beschrieben, was aber die Kenntnis der Anfangsbedingungen unmittelbar nach dem Tunneln voraussetzt. Die einfachste Betrachtung („Simple-man model“) nimmt an, dass das Tunneln keine Zeit benötigt, das Elektron also instantan am Tunnelausgang erscheint – und zwar mit der Geschwindigkeit Null.

Dieses Modell wurde in den letzten Jahren intensiv debattiert. Erste Experimente ergaben – im Rahmen der Messgenauigkeit – keinen Hinweis auf eine endliche Tunnelzeit. Ganz so einfach ist die Interpretation aber nicht, da auch eine möglicherweise von Null verschiedene Anfangsgeschwindigkeit eine Rolle spielt. Offen war zudem die Frage, wie die klassische Bewegung korrekt mit dem quantenmechanischen Tunnelprozess verknüpft werden kann und ob daraus die Zeitdauer für das Tunneln berechnet werden kann. Eigentlich auf den ersten Blick ein Ding der Unmöglichkeit, handelt es sich doch um einen klassisch verbotenen Vorgang. Eine Gruppe von Theoretikern um Karen Hatsagortsyan in der Abteilung von Christoph Keitel am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) hat nun mittels der sog. „Wigner-Methode“ eine Lösung dieses Problems gefunden: Hierbei wird zunächst quantenmechanisch die Schrödinger-Gleichung für ein Atom in einem starken elektrischen Feld gelöst. Dann wird die dazu entsprechende „quasiklassische“ Bahn gesucht, der „dominierende Quantenpfad“, der mit der größten Wahrscheinlichkeit zwei Punkte verbindet. Hieraus ergeben sich dann die Tunnelzeit und die Geschwindigkeit am Tunnelausgang. Im Bereich der untersuchten Laser-Intensitäten braucht das Elektron den Berechnungen zufolge zwischen 80 und 180 Attosekunden, um die Barriere zu durchtunneln. Eine Femtosekunde ist der Millionste Teil einer Milliardstel Sekunden und eine Attosekunde noch einmal einen Faktor 1000 kürzer.

Diese beiden Größen sind nicht direkt messbar, aber sie bestimmen die weitere Entwicklung und es kann daraus die experimentell zugängliche endgültige Geschwindigkeit des Elektrons berechnet werden. Es bietet sich an, Laserlicht mit elliptischer Polarisation zu verwenden – der elektrische Feldvektor rotiert hier auf einer Ellipse. Das in einem solchen Feldverlauf freigesetzte Elektron zeigt ebenfalls eine ellipsenförmige Geschwindigkeits- bzw. Impulsverteilung, die gegenüber der Richtung des maximalen Feldes um einen bestimmten Winkel verdreht ist. In diesen Winkel gehen die erwähnten Anfangsbedingungen – u.a. die „Startzeit“ ein, weswegen man auch von einer „Attouhr“ spricht: Ein Umlauf (360°) entspricht für die verwendete Laserfrequenz einer Zeit von ca. 2,7 Femtosekunden und ein Winkelgrad demnach ca. 8 Attosekunden.

Nun ist die Übersetzung des Winkels in eine Zeit nicht so einfach, da neben der Tunnelzeit auch noch die Anfangsgeschwindigkeit und die nachfolgende Bewegung in den überlagerten elektrischen Feldern des positiven Rest-Ions und des Lasers zu berücksichtigen sind. Abb. 1b skizziert die unterschiedliche Bewegung für das „Simple-man model“ und die Beschreibung mit der Wigner-Methode. Erschwerend kommt hinzu, dass der resultierende Effekt sehr klein ist und zudem die Stärke des Laserfeldes eingeht, welche sich experimentell absolut nur recht ungenau bestimmen lässt. Um dieses Problem zu umgehen, haben die Experimentalphysiker um Robert Moshammer in der Abteilung von Thomas Pfeifer am MPIK folgenden Trick verwendet: Sie untersuchten gleichzeitig ein Gemisch aus den Edelgasen Argon und Krypton, deren Ionisationsenergie und damit die Höhe der Barriere und Länge der Tunnelstrecke für ein gegebenes Feld sich geringfügig unterscheiden.

Im „Simple-man model“ sollten sich beide Atome für verschiedene Laserintensitäten praktisch gleich verhalten, da ja Tunnelzeit und Anfangsgeschwindigkeit immer gleich Null sind. In der Beschreibung nach Wigner gehen aber Tunnellänge und Barrierenhöhe ein, welche bei zunehmender Feldstärke kleiner werden. In der Tat konnte ein kleiner, aber messbarer Unterschied im Drehwinkel zwischen Argon und Krypton gefunden werden (Abb. 3a). Mit zunehmender Intensität wird dieser Unterschied noch größer (Abb. 3b). Ein Maß für die Laserintensität ist die Größe der Ellipse im Maximum der gemessenen Impulsverteilung. Das Ergebnis ist quantitativ in guter Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage, was das Wigner-Modell bestätigt und damit belegt, dass der Tunnelprozess Zeit braucht, die zudem von der Tunnellänge abhängt.

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Originalpublikation:

Experimental evidence for quantum tunneling time
Nicolas Camus, Enderalp Yakaboylu, Lutz Fechner, Michael
Klaiber, Martin Laux, Yonghao Mi, Karen Z. Hatsagortsyan,
Thomas Pfeifer, Christoph H. Keitel and Robert Moshammer

Phys. Rev. Lett. 119, 023201 (2017);  DOI: 0.1103/PhysRevLett.119.023201

 MPG-Presseinformation „Tunneln nahe der Lichtgeschwindigkeit“ (15. April 2013)

Gruppe „Atoms and molecules in ultra-short laser pulses“ am MPIK

Gruppe „Relativistic and Ultrashort Quantum Dynamics“ am MPIK

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Kontakt:

Dr. Robert Moshammer
MPI für Kernphysik
Tel.: +49 6221-516-461
E-Mail:  robert.moshammer(at)mpi-hd.mpg.de

Dr. Karen Z. Hatsagortsyan
MPI für Kernphysik
Tel.: +49 6221-516-160
E-Mail:  k.hatsagortsyan(at)mpi-hd.mpg.de

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