Amerikanischen Forschern der Universität von Kalifornien in Irvine ist es gelungen, einen quantenmechanischen Tunnelprozess eines Atoms mit den Mitteln der klassischen Physik zu beschreiben. Dazu modellierten sie das Verhalten eines quantenmechanischen Teilchens mit Hilfe von 900 den Gesetzen der klassischen Mechanik gehorchenden Teilchen. Das neue Verfahren könnte Computersimulationen chemischer Reaktionen um ein Vielfaches vereinfachen.
Die theoretischen Chemiker Craig Martens und Arnaldo Donoso berichten in der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters, wie sie einen der merkwürdigsten Aspekte der Quantenmechanik mit Hilfe der klassischen Mechanik Newtons simulieren: das quantenmechanische Tunneln.
Mit diesem Begriff bezeichnet man die Eigenschaft von mikroskopischen Teilchen, mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit einen Potentialwall überwinden zu können, selbst wenn sie nicht die dafür notwendige Energie besitzen. Man stelle sich dazu ein Auto vor, dass nicht leistungsfähig genug ist, einen großen Berg zu überwinden, aber dennoch plötzlich quasi aus dem Nichts auf der anderen Seite des Berges auftauchen kann – es “tunnelt” durch den Berg.
Dieses quantenmechanische Tunneln haben die Forscher nun mit Hilfe der herkömmlichen Gesetze der mehr als dreihundert Jahre alten klassischen Mechanik beschrieben. Dazu simulierten sie ein einzelnes quantenmechanisches Teilchen mit Hilfe von 900 miteinander durch Stöße wechselwirkenden klassischen Teilchen, die sich auf der einen Seite eines Potentialberges befanden.
Obwohl die klassische Mechanik ein Tunneln verbietet, kann durch die Stöße der Teilchen untereinander ein einzelnes Teilchen eine genügend große Energie gewinnen, um den Potentialberg zu überwinden – analog zu einem Tunnelereignis. Die Anzahl dieser “tunnelnden” klassischen Teilchen stimmt gut mit der nach den Gesetzen der Quantenmechanik zu erwartenden Tunnelwahrscheinlichkeit eines einzelnen quantenmechanischen Teilchens überein.
Die Forscher hoffen nun, chemische Reaktionen mit dem neuen, klassischen Simulationsschema beschreiben zu können. Dies wäre ein großer Durchbruch in der theoretischen Chemie. Leidet diese Disziplin doch bis heute unter der großen Schwierigkeit, dass die klassische Physik zur Beschreibung von chemischen Reaktionen nicht ausreicht, eine Anwendung der Quantenmechanik jedoch viel zu kompliziert ist. Bleibt zu hoffen, dass der Mittelweg zu Erfolgen führt.
Stefan Maier
