In der Quantenphysik gelten andere Gesetze als in unserer Makrowelt. Während Wände in der für uns sichtbaren Welt für einen Ball oder unseren Körper unpassierbar sind, ist dies in der Quantenwelt anders: Atome und andere mikroskopisch kleinen Teilchen können solche normalerweise undurchlässigen Wände durchdringen, indem sie die energetische oder physikalische Barriere durchtunneln. Möglich wird dies, weil der Aufenthaltsort und das Verhalten von Quantenteilchen durch Wahrscheinlichkeiten bestimmt wird. Weil seine Position nicht genau bestimmbar ist, existiert eine gewisse, wenn auch geringe Wahrscheinlichkeit, dass sich das Teilchen jenseits der Barriere befindet. Doch bis zu welcher Größe ist dieses Quantentunneln möglich?
Ein Supraleiter-Schaltkreis als Testfall
Die diesjährigen Physik-Nobelpreisträger haben erstmals bewiesen, dass dieser quantenphysikalische Effekt auch im makroskopischen Maßstab möglich ist. Dies gelang in Experimenten, die John Clarke, Michel Devoret und John Martinis 1984 und 1985 an der University of California in Berkeley erdachten und durchführten. Kernelement der Experimente war ein sogenannter Josephson-Kontakt: eine Anordnung aus zwei Supraleitern, die durch eine dünne Barriere aus einem elektrischen Isolator getrennt sind. Das Besondere an Supraleitern ist ihre Fähigkeit, Strom widerstandsfrei zu leiten: Elektronen in solchen Materialien verbinden sich zu sogenannten Cooper-Paaren. In diesen haben sie den gleichen Quantenzustand und können sich daher als Einheit und ohne Widerstand bewegen. Für ihr Experiment leiteten die Physiker nun schwachen Strom in diesen Josephson-Kontakt und maßen die Spannung.
Weil beide Supraleiter durch die Barriere getrennt sind, dürfte kein Strom fließen, die Spannung müsste bei Null Volt liegen. Doch das war nicht der Fall: Die Messinstrumente zeigten trotz Barriere eine geringe, aber eindeutig vorhandene Spannung an. Damit belegten diese Experimente erstmals zweifelsfrei, dass ein supraleitender Schaltkreis, der „groß genug ist, um ihn mit den eigenen Händen zu greifen“, ein Quantentunneln im makroskopischen Maßstab zeigen kann. Die durch den Supraleiter fließenden geladenen Teilchen verhielten sich wie eine Einheit, die die Isolator-Barriere überwand und den gesamten Schaltkreis ausfüllte. Clarke, Devoret und Martinis zeigten zudem, dass sich das System so verhält, wie es die Quantenmechanik vorhersagt: Es ist quantisiert und nimmt nur bestimmte Energiemengen auf oder gibt sie ab.
