Physiker vermessen erstmals die Raum-Zeit-Grenze des Elektrons

Zwischen dem Ort eines Teilchens und seinem Impuls zieht die Heisenbergsche Unschärferelation eine berühmte Grenze: Beide lassen sich nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmen. Für das Paar aus Ort und Zeit gilt diese Regel eigentlich nicht – und doch stößt man in der Praxis an eine Schranke. An dieser Raum-Zeit-Grenze lassen sich die räumliche Ausdehnung eines Elektrons und der zeitliche Verlauf seiner Bewegung nicht mehr unabhängig voneinander erfassen. Ein Forschungsteam hat dieses Limit nun erstmals direkt im Experiment sichtbar gemacht.

Getragen wird die Arbeit von mehreren Gruppen am Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) gemeinsam mit einem Team des Max-Planck-Instituts in Hamburg. Die Physiker beobachteten einzelne Elektronen genau in dem Moment, in dem sie durch eine Energiebarriere tunneln – ein quantenmechanischer Vorgang ohne Entsprechung in der klassischen Welt. Sind Elektronen solchen ultraschnellen Veränderungen ausgesetzt, wie sie beim Tunneln oder in chemischen Reaktionen vorkommen, koppeln Raum und Zeit auf komplizierte Weise aneinander. Wie diese Kopplung konkret aussieht, ließ sich bislang kaum messen, weil dafür eine zeitliche Auflösung im Attosekundenbereich nötig ist.

Möglich wurde der Blick durch eine lichtwellengetriebene Rastertunnelmikroskopie auf atomarer Skala. Dabei modulierten die Forschenden die Tunnelbarriere mit zwei zeitlich versetzten Infrarot-Lichtpulsen, die zu phasenkontrollierten Wellenformen zusammenliefen. So gelang es, einzelne Tunnelereignisse aufzulösen, die kürzer als eine Femtosekunde dauern. Das Ergebnis, veröffentlicht im Fachjournal Nature Photonics, zeigt: Ort und zeitliche Entwicklung eines Elektrons lassen sich nicht mit beliebiger Präzision zugleich festlegen.

Warum das zählt

Der Befund ist mehr als eine Fußnote der Grundlagenphysik. Viele Zukunftstechnologien – von der Quantentechnik über energiesparende Elektronik für künstliche Intelligenz bis zu grünen Technologien – hängen davon ab, dass man versteht, wie sich Materie im Kleinsten verhält: wie chemische Reaktionen ablaufen und wie Elektronen durch Bauteile wandern. Standbilder der atomaren Welt reichen dafür nicht; gefragt sind zeitaufgelöste Zeitlupen aus dem Nanokosmos. Genau ein solches Werkzeug haben die Teams nun geschärft. Wer die Bewegung von Elektronen auf ihrer natürlichen Zeitskala verfolgen kann, kommt dem Ziel näher, chemische Reaktionen gezielt zu steuern – etwa um Katalysatoren oder Materialien effizienter zu machen.