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Ein Quanteneffekt mit Pfiff


Als der spätere Nobelpreisträger Philip Anderson 1962 in Cambridge Vorlesungen über Festkörperphysik hielt, fiel ihm ein Student durch besonders hartnäckiges Nachfragen auf; noch im selben Jahr postulierte der 20jährige Doktorand Brian D. Josephson den später nach ihm benannten (und 1973 mit einem Nobelpreis honorierten) Quanteneffekt: Wenn der in einem ringförmigen Supraleiter widerstandsfrei zirkulierende Strom aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffekts eine winzige Barriere aus isolierendem Material überwindet, treten charakteristische Schwingungen auf; ihre Frequenz hängt außer von der Spannungsdifferenz an der Barriere nur von Naturkonstanten ab (der elektrischen Elementarladung e und dem Planckschen Wirkungsquantum h).

Bald darauf verallgemeinerten Anderson, Josephson und der amerikanische Physiker Richard P. Feynman (1918 bis 1988; Nobelpreis 1965) diese folgenreiche Feststellung, aus der unter anderem die in der Medizin für bildgebende Verfahren genutzten SQUIDS (supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren) hervorgegangen sind. Danach gilt die Aussage generell für alle Systeme, die zwar makroskopische Dimensionen haben, sich aber nur quantenphysikalisch beschreiben lassen: Wann immer zwei davon schwach miteinander gekoppelt sind, müssen oszillierende Teilchenströme zwischen ihnen auftreten.

Nun gehören zu den makroskopischen Quantensystemen außer den Supraleitern, die elektrischen Strom widerstandslos passieren lassen, auch die Superflüssigkeiten, die reibungsfrei durch dünne Kapillaren strömen. Das bekannteste Beispiel ist Helium bei Temperaturen unterhalb von 2 Kelvin oder -271 Grad Celsius. Stehen zwei damit gefüllte Behälter, in denen ein miminal unterschiedlicher Druck herrscht, über eine teilweise durchlässige Membran miteinander in Kontakt, müßte eine charakteristische Schwingung auftreten (während man nach den Gesetzen der klassischen Physik bloß eine Strömung in Richtung des Druckgefälles erwarten sollte). Nachdem mehr als 30 Jahre lang alle Versuche zum Nachweis dieses subtilen Effektes mißlungen sind, hat jetzt endlich ein Team an der Universität von Kalifornien in Berkeley das Kunststück vollbracht ("Nature", Band 388, Seiten 449 bis 451, 31. Juli 1997).


Hauchdünne Membran mit 4225 Löchern

Das Hauptproblem war das Realisieren der schwachen Kopplung: die Fabrikation einer Membran, die – analog zur Tunnelbarriere beim herkömmlichen Josephson-Effekt – einerseits als Trennwand wirkt und anderseits doch so durchlässig ist, daß nachweisbare Schwingungen entstehen. Die Physiker um Richard E. Packard und James C. Davis vermochten sie zu erzeugen, indem sie mittels modernster Chip-Technik in eine nur 50 Nanometer (millionstel Millimeter) dicke Siliciumnitrid-Schicht eine perfekt quadratisch angeordnete Matrix aus 4225 Löchern ätzten – jedes mit rund 100 Nanometern Durchmesser.

Als Superflüssigkeit nahmen sie nicht das normale Helium, das größtenteils aus dem Isotop der Atommasse 4 besteht, sondern das seltenere leichte Isotop Helium-3; es muß zwar auf weniger als ein tausendstel Kelvin gekühlt werden, um sich als völlig reibungsfreie Flüssigkeit zu verhalten, doch dafür reicht die Feinheit der beschriebenen Membran aus, ihm den Durchtritt genügend schwer zu machen.

Der quantenmechanische Grund dafür ist, daß prinzipiell nur sogenannte Bose-Teilchen, das heißt Partikel mit ganzzahligem Gesamtspin, jenen gemeinsamen makroskopischen Quantenzustand bilden können, der die Voraussetzung für Superflüssigkeit darstellt. Helium-4 erfüllt von vornherein diese Bedingung; denn es besteht aus einer geraden Anzahl von Teilchen mit halbzahligem Spin (zwei Protonen und zwei Neutronen). Hingegen werden die Helium-3-Atome erst dann zu Bose-Teilchen, wenn sie bei extremer Kühlung Paare bilden. Darum beeinflussen Strukturen von rund 50 Nanometern Größe das Verhalten von superfluidem Helium-3 bereits merklich, während man bei Helium-4 die Minaturisierung bis auf vorerst utopische zehntel Nanometer weitertreiben müßte.


Quantentöne

Mittels fein abstimmbarer elektrostatischer Abstoßung übten die kalifornischen Wissenschaftler nun auf die metallisierte Wand des einen Helium-3-Reservoirs eine winzige Kraft aus und hofften, das dadurch erzeugte minimale Druckgefälle von einigen tausendstel Pascal rufe den theoretisch vorhergesagten oszillierenden Teilchenstrom durch die Membran hervor. Doch der übliche Nachweis der Schwingung über ein optisches Signal im Oszilloskop scheiterte an dem Hintergrundrauschen des diffizilen experimentellen Aufbaus: Man sah nur Wellensalat.

Auf gut Glück versuchten die Forscher deshalb, das Signal – nach entsprechender Verstärkung – über Kopfhörer wahrnehmbar zu machen. Und tatsächlich war die Quantenschwingung als feiner hoher Ton deutlich herauszuhören. Die Frequenz erwies sich, wie die Theorie des verallgemeinerten Josephson-Effekts vorschreibt, als direkt proportional zum Druckunterschied an der Membran; in den Proportionalitätsfaktor gehen außer dem Planckschen Wirkungsquantum nur Atomgewicht und Dichte der Superflüssigkeit ein. Erst nach diesem Triumph des menschlichen Ohrs als Quantendetektor gelang auch der Nachweis des Effekts durch digitale Schwingungsanalyse.

Zum einen mögen sich nun all jene, die an der Unanschaulichkeit der Quantenmechanik verzweifeln, damit trösten, daß unter Umständen auch der Hörsinn "Einblicke" in das geheimnisvolle Walten submikroskopischer Kräfte gewährt. Zum anderen aber eröffnet das geglückte Experiment auch interessante praktische Anwendungen – etwa für hochsensible Druckmeßgeräte und extrem genau steuerbare Druckerzeuger


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1997, Seite 20
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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