In der Quantenwelt gelten andere Gesetzmäßigkeiten als in der klassischen Physik. So besagt die Heisenbergsche Unschärferelation beispielsweise, dass Aufenthaltsort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig mit hoher Präzision gemessen werden können. Doch diese „Unschärfe“ gilt nicht für alle Messgrößen: „Zwischen Zeit und Ort gibt es keine Unschärferelation“, erklären Simon Maier von der Universität Regensburg und seine Kollegen. Das bedeutet: Theoretisch müsste man die zeitliche Struktur der Wellenfunktion eines Elektrons messen können, ohne dass dies ihre räumliche Ausdehnung beeinflusst.
„Allerdings sind Zeit (Δt) und Raum (Δx) bei Elektronen oft in nichttrivialer Weise miteinander gekoppelt, wenn die Elektronen ultraschnellen Veränderungen ausgesetzt sind“, erklären die Physiker. Solche Veränderungen treten beispielsweise beim Tunneln und in chemischen Reaktionen auf. Wie diese Kopplung konkret aussieht und wie sie sich auswirkt, war bislang schwer zu beobachten, weil dies eine zeitliche Auflösung der Messungen im Attosekunden-Bereich erfordert.
Tunnelnde Elektronen und ultraschnelle Laserpulse
Jetzt ist es Maier und seinen Kollegen erstmals gelungen, das Verhalten von Elektronen an dieser Raum-Zeit-Grenze zu beobachten. Für ihr Experiment platzierten sie ein einzelnes Kupferatom auf einer Silberoberfläche in einem Rastertunnelmikroskop. Die ultrafeine, nur ein Atom dicke Metallspitze des Mikroskops schwebte dabei nur wenige Atomdurchmesser über dem Kupferatom. Dann beschossen die Physiker die Mikroskopspitze mit zwei ultrakurzen Laserpulsen in leicht unterschiedlichen, nicht überlappenden Nahinfrarot-Wellenlängen.
Die Laserblitze ermöglichen es den Elektronen der Oberflächenatome, die Energiebarriere zwischen Spitze und Oberfläche zu durchtunneln. „Indem wir den zeitlichen Abstand zwischen den zwei Laserimpulsen variieren, können wir direkt beobachten, wie die Elektronen darauf reagieren“, erklärt Maier. Die Laserpulse dienen dadurch gleichzeitig als Messhilfen, durch die sich der zeitliche Verlauf und die räumliche Ausdehnung der Elektronen-Wellenfunktion messen lässt.
„Unsere Messung lässt sich wie eine Hochgeschwindigkeitskamera für die Elektronen-Wellenpakete verstehen, da man sieht, zu welcher Zeit der Tunnelprozess stattfindet", erklärt Maiers Kollegin Katharina Glöckl.
