Tunneleffekt

Der Tunneleffekt (auch Quantentunneln) ist eines der verblüffendsten Phänomene der Quantenmechanik. Er besagt, dass ein Teilchen eine Energiebarriere durchdringen kann, auch wenn seine Energie dafür eigentlich nicht ausreicht. In der klassischen Physik wäre das so, als würde ein Ball durch eine Mauer rollen, statt darüber zu springen.

Der Grund liegt in der Wellennatur der Teilchen. Die Wellenfunktion eines Quantenobjekts endet nicht abrupt an einer Barriere, sondern klingt innerhalb der Barriere exponentiell ab. Wenn die Barriere dünn genug ist, hat die Wellenfunktion auf der anderen Seite noch eine endliche Amplitude, und das Teilchen hat eine messbare Wahrscheinlichkeit, dort aufzutauchen. Je schmaler und niedriger die Barriere, desto höher die Tunnelwahrscheinlichkeit.

Der Tunneleffekt hat fundamentale Bedeutung in der Natur: Ohne ihn würde die Kernfusion in der Sonne nicht funktionieren. Die Protonen im Sonnenkern haben nicht genug thermische Energie, um die elektrostatische Abstoßung zwischen ihnen zu überwinden. Nur durch den Tunneleffekt können sie nahe genug zusammenkommen, um zu verschmelzen. Auch der Alpha-Zerfall radioaktiver Kerne, die Funktionsweise von Rastertunnelmikroskopen und Flash-Speichern basiert auf dem Tunneleffekt.

In der Science-Fiction wird der Tunneleffekt als Erklärung für exotische Technologien herangezogen: Quantenteleportation, Durchdringung von Schutzfeldern oder Materietransport. In Greg Egans Romanen werden Quantenphänomene wie der Tunneleffekt als Grundlage für radikale Technologien beschrieben.

Das Rastertunnelmikroskop (RTM) nutzt den Tunneleffekt direkt zur Bildgebung. Eine ultrafeine Metallspitze wird so nah an eine Oberfläche herangebracht, dass Elektronen durch die Vakuumlücke tunneln können. Der Tunnelstrom ist extrem empfindlich gegenüber dem Abstand: Eine Änderung von einem Atom ändert den Strom um das Zehnfache. Mit dieser Methode, entwickelt von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer (Nobelpreis 1986), lassen sich Atome einzeln auf Oberflächen abbilden und sogar bewegen.

Auf der Ebene der Elektronik ist der Tunneleffekt ein Problem. In Transistoren, die kleiner werden als etwa 5 Nanometer, können Elektronen durch die isolierenden Schichten tunneln und den Schalter kurzschließen. Das ist eine der fundamentalen Grenzen der Miniaturisierung von Siliziumchips. Zukünftige Computerarchitekturen (auf Basis von Topologie-Isolatoren, Graphen oder neuen Materialien) versuchen, dieses Problem zu umgehen. In der Science Fiction ist der Tunneleffekt das Werkzeug, mit dem Technologie über die klasssischen Grenzen hinausgreift.