Das Wissen über die Quantenmechanik erweist sich als entscheidend für viele physikalische Phänomene. Ein bemerkenswerter Durchbruch in der Quantenforschung wurde nun mit dem Nobelpreis ausgezeichnet: Forscher haben es geschafft, Milliarden von Elektronen in einem supraleitenden System dazu zu bringen, als ob Wände nicht existieren würden. Diese Errungenschaft zeigt nicht nur die unkonventionellen Regeln der Quantenmechanik auf, sondern könnte auch die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien vorantreiben.

Stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Ball gegen eine Wand. Jedes Mal prallt der Ball zurück. In der Welt der Teilchen können die Gesetze jedoch anders funktionieren. Wenn ein Teilchen auf einer Barriere stößt, kann es ein unmögliches Kunststück vollführen: Es kann durch die Barriere hindurchreisen. Dieses Phänomen wird als quantenmechanisches Tunneln bezeichnet. In den späten 1920er Jahren wurde es theoretisch untersucht, um zu verstehen, wie Teilchen durch verschiedene Barrieren reisen können, die sie gemäß den Gesetzen der klassischen Physik nicht überwinden sollten.

Gemäß der Quantenmechanik gibt es immer eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Teilchen “auf der anderen Seite” einer Barriere befindet, da die Wellenfunktion des Teilchens an dieser Stelle nicht vollständig null ist. Dies geschieht beispielsweise im Inneren der Sonne, wenn zwei Protonen durch die elektrische Barriere tunneln, die sie daran hindert, sich zu nahe zu kommen. Wenn sie sich näherkommen, können sie fusionieren, und die Sonnenfusion setzt fort. Auch der radioaktive Zerfall erfolgt, wenn Teilchen durch die Barriere tunneln, die durch die Kernkraft im Inneren des Atomkerns erzeugt wird.

Die Entdeckung des Tunnels

In der Mitte der 1980er Jahre führten die Wissenschaftler John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis eine Reihe von Experimenten durch, bei denen sie Milliarden von Teilchen gleichzeitig zwischen zwei Zuständen tunneln ließen. Diese Leistung wurde mit dem Physik-Nobelpreis 2025 ausgezeichnet.

„Dies war, milde ausgedrückt, die größte Überraschung meines Lebens. Wir haben nie gedacht, dass dies die Grundlage für einen Nobelpreis sein könnte“, sagte der Preisträger John Clarke telefonisch während der Bekanntgabe durch die Königliche Akademie der Wissenschaften.

Dank der Forschung der drei Preisträger wurde es möglich, quantenmechanisches Tunneln und andere makroskopische Effekte in größeren Objekten zu messen, „die groß genug sind, um sie mit unseren schmutzigen Fingern zu berühren“, wie sie es 1988 im Magazin Science ausdrückten. Um erfolgreich zu sein, benötigten sie ein Material, das bemerkenswerte und unerwartete Eigenschaften aufweist: einen Supraleiter.

Die Prinzipien der Supraleitung

In einem Kabel bewegen sich Milliarden von Elektronen, die einen Strom leiten. Sie kollidieren miteinander, Reibung entsteht, und Wärme wird abgegeben. Daher ist eine Spannung erforderlich, um den Strom zu leiten. Wie viel Spannung benötigt wird, hängt vom Widerstand des Leiters ab, also davon, wie viel Reibung entsteht, wenn die Elektronen durchfließen.

Im Jahr 1911 kühlte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes Quecksilber auf -269 Grad Celsius. Dabei stellte er fest, dass der elektrische Widerstand vollständig verschwand. Ein Strom konnte durch das Quecksilber fließen, ohne dass Spannung benötigt wurde. Onnes nannte dieses Phänomen Supraleitung und wurde 1913 mit dem Nobelpreis für Physik für seine Experimente ausgezeichnet.

Albert Einstein und mehrere andere versuchten vergeblich zu verstehen, wie ein Supraleiter einen Strom ohne Widerstand führen konnte. Erst 1957 gelang es John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer, zu erklären, was auf der mikroskopischen Ebene in einem Supraleiter geschieht, was zu einem Nobelpreis für Physik im Jahr 1972 führte.

Synchronisierte Elektronen

Normalerweise üben Elektronen in einem Leiter eine abstoßende Wirkung aufeinander aus. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen verbinden sich die Elektronen jedoch und bilden Paare. Diese Paare verknüpfen sich wiederum zu einer größeren quantenmechanischen Einheit. Es ist, als würden alle Elektronen in einem großen synchronisierten Tanz die Arme ineinander verhaken. Gemeinsam bewegen sie sich geschmeidig und koordiniert durch den Leiter, wodurch kein Widerstand entsteht.

„Das bedeutet, dass keine elektrische Energie verloren geht. Diese Eigenschaft wird häufig sowohl in der Forschung als auch in Anwendungen eingesetzt, um große Ströme zu transportieren, die starke Magnetfelder erzeugen. In Krankenhäusern wird dies für die Magnetresonanztomographie genutzt. Außerdem können Supraleiter in magnetischen Feldern schweben“, erklärt Witlef Wieczorek, Professor für Physik und Abteilungsleiter für Quantentechnologie, Mikrotechnologie und Nanowissenschaft an der Technischen Hochschule Chalmers.

Experimente mit supraleitenden Eigenschaften

Die synchronisierte Bewegung der Elektronen ermöglicht, dass quantenmechanische Effekte, die normalerweise nur Einzelpartikel betreffen, nun von Milliarden Teilchen gleichzeitig demonstriert werden. In der Mitte der 1980er Jahre experimentierten die diesjährigen Nobelpreisträger mit den makroskopischen quantenmechanischen Eigenschaften von Supraleitern in einem Labor an der University of California, Berkeley. John M. Martinis war Doktorand bei John Clarke, und Michel H. Devoret war ein Forscher aus Paris.

In dem Supraleiter platzierten sie eine kleine isolierende Barriere, die als Josephson-Übergang bezeichnet wird, deren Einführung 1973 mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Dies führte dazu, dass die gemeinsame Wellenfunktion der Elektronen in zwei mögliche Zustände übergehen konnte: einen Zustand ohne elektrische Spannung und einen Zustand mit einer geringen Spannung. Sie konnten dann messen, wie das supraleitende System vom spannungsfreien Zustand in den mit Spannung überging. Das Tunneln fand über eine Energiebarriere statt, die durch den Josephson-Übergang in der gesamten Schaltung entstanden war.

„Dieses Experiment zeigte deutlich, dass eine makroskopische Anzahl von Elektronenpaaren durch eine Barriere tunneln kann. Das Experiment musste bei ultraniedrigen Temperaturen mit sehr reinen Proben und genau durchgeführt werden“, sagt Witlef Wieczorek.

Schrödingers Katze und ihre Implikationen

Die Experimente basieren auf den Arbeiten mehrerer Personen, von denen, wie bereits erwähnt, viele zuvor mit Nobelpreisen ausgezeichnet wurden. Der Preisträger John Clarke hebt insbesondere die Forschung von Anthony J. Leggett über Supraleitung als entscheidend hervor, um die Experimente durchführen zu können. Leggett hatte bereits in den 1980er Jahren darauf hingewiesen, dass Experimente mit Supraleitern ein neues Licht auf eines der seltsamsten Paradoxa der Quantenmechanik werfen könnten: Schrödingers Katze.

„Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment, das 1935 formuliert wurde. Grundsätzlich erlaubt die Quantenmechanik einer Katze, gleichzeitig tot und lebendig zu sein, was sehr verwirrend ist“, sagt Witlef Wieczorek.

Edwin Schrödinger stellte sich eine Katze vor, die in einer Box liegt. Dort befindet sich auch ein giftiges Präparat, das durch einen radioaktiven Zerfall ausgelöst wird. Tritt ein Zerfall ein, ist die Katze tot, anderenfalls lebt sie.

Laut der Quantenmechanik kann sich ein System gleichzeitig in zwei Zuständen befinden. Erst bei einer Messung wird das System eindeutig in einen der beiden möglichen Zustände überführt. Da der radioaktive Zerfall durch quantenmechanische Prozesse erfolgt, befindet sich das System nach einer gewissen Zeit sowohl im Zustand des Zerfalls als auch im Zustand des Nicht-Zerfalls. Daher ist die Katze paradoxerweise sowohl tot als auch lebendig.

Doch wie ist es möglich, dass sich ein makroskopisches Objekt wie eine Katze gleichzeitig in zwei Zuständen befindet? Schrödinger formulierte das Gedankenexperiment, um die seltsamen Konsequenzen zu zeigen, die die Quantenmechanik zu ziehen scheint. Die Frage war philosophisch provokant, aber experimentell nicht zugänglich (der Physiker, der sich mit einer echten Katze versucht, würde schnell seinen Job verlieren). Aber dank der Supraleiter ist es möglich, das Paradoxon von Schrödingers Katze im Labor zu testen.

„Experimente mit makroskopischem Tunneln ermöglichten es, solche katzenartigen Zustände in supraleitenden Systemen zu schaffen. Die Elektronenpaare sind nicht tot und lebendig gleichzeitig, sondern können in zwei verschiedene Richtungen gleichzeitig reisen“, erklärt Witlef Wieczorek.

Die Grenze zwischen der klassischen und der quantenmechanischen Welt

Eva Lindroth, Professorin für Physik an der Universität Stockholm und Mitglied des Nobelkomitees für Physik, betrachtet das Experiment als äußerst interessant, da es etwas über die Grenze zwischen der quantenmechanischen Welt und unserer alltäglichen Welt aussagt.

„Auf der einen Seite ist alles verschwommen, und dort gibt es Schrödingers Katze, die sowohl lebendig als auch tot ist. Auf der anderen Seite befindet sich die gewöhnliche Welt, in der alles fest ist. Aber wo verläuft die Grenze?“

In seiner Pressemitteilung hebt das Nobelkomitee hervor, dass die diesjährigen ausgezeichneten Forschungsarbeiten „zum Fortschritt der nächsten Generation von Quantentechnologien beigetragen haben, die uns Werkzeuge wie Quantenkryptographie, Quantencomputer und Quantensensoren bieten könnten.“ Der Zeitpunkt für diese Auszeichnung könnte kaum besser sein, da die Quantenmechanik vor etwa hundert Jahren formuliert wurde. Die UNESCO hat das Jahr 2025 zum internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärt.

„Die Quantenmechanik ist von großer Bedeutung, denn sie ist überall in unserem Alltag zu finden: von LED-Lichtern und Lasern bis hin zu Dioden und Transistoren. Auch nach hundert Jahren steht die Quantenmechanik weiterhin im Zentrum der physikalischen Forschung“, sagt Eva Lindroth.

„Dieses Experiment hat den Weg für viele weitere faszinierende Experimente im Forschungsbereich geebnet, den wir heute supraleitende Quantenkreise nennen. Ein wichtiges und aktuelles Beispiel ist das Bestreben, einen Quantencomputer auf Basis solcher Schaltungen zu entwickeln“, erklärt Witlef Wieczorek.

Der Nobelpreisträger John M. Martinis hat mit Google zusammengearbeitet und ein Unternehmen gegründet, um solche Quantencomputer zu entwickeln. Bei einer Pressekonferenz vergleicht er die supraleitenden Systeme mit einer Art künstlichen Atomen auf makroskopischer Ebene, die für verschiedene Zwecke genutzt werden können.

„Man kann Atome bauen, die völlig anders sind als jedes Quantensystem, das man in der Natur beobachten kann“, sagt John M. Martinis.

Dieser Artikel basiert teilweise auf früheren Berichten von fof.se.