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Physik: Perfekter Tunneleffekt in Metamaterial nachgewiesen

Quantenobjekte können durch Hindernisse einfach hindurchschlüpfen, aber nur manchmal. Nun ist eine Variante dieses Tunneleffekts aufgetaucht, bei der das immer funktioniert.
Blick in einen FestkörperLaden...

Im Jahr 1929 hat der schwedische Physiker Oskar Klein eine verblüffende Vorhersage gemacht: Feuert man ein Elektron auf eine Barriere, kann es einfach hindurchschlüpfen. Eigentlich ist dieser Tunneleffekt nichts Ungewöhnliches. In der Quantenwelt ist er immer dann eine Möglichkeit, wenn ein Teilchen einem Hindernis begegnet.

Normalerweise kann ein Partikel in solch einer Situation aber nur mit viel Glück auf die andere Seite gelangen. Oskar Klein hingegen kam in seinen Rechnungen auf eine Wahrscheinlichkeit von 100 Prozent: Bewegt sich das Elektron fast mit Lichtgeschwindigkeit, nimmt es die Barriere praktisch nicht wahr – egal, wie groß diese tatsächlich ist.

Phononischer Kristall für SchallwellenLaden...
Phononischer Kristall

Lange stritten Physiker darüber, ob Kleins Hypothese etwas mit der Realität zu tun hat. In der Realität ließ sich die von ihm beschriebene Situation praktisch nicht nachstellen. Doch seit einigen Jahren gehen Forscher indirekten Hinweisen im 2-D-Material Graphen nach. In dem hauchdünnen Kohlenstoffgitter können Mehrteilchen-Zusammenschlüsse – so genannte Quasiteilchen – offenbar in speziellen Situationen auf kleinsche Art durch eine Barriere tunneln.

Forscher um Xiang Zhang von der University of California in Berkeley wollen das Phänomen nun erstmals direkt beobachtet haben, allerdings in einem ganz anderen Setting: Sie ordneten wenige Zentimeter große Acrylzylinder auf einer Fläche an und ließen anschließend Schallwellen von der Seite hindurchlaufen. So entstand das, was Forscher einen »phononischen Kristall« aus der Klasse der Metamaterialien nennen. Sie bestehen aus etlichen identischen Bauteilen, die so geformt sind, dass sie Wellen gezielt verändern.

Im Experiment von Xiang Zhang bündelten die Bauteile die Schallwellen gerade so, dass sie ähnlichen Gleichungen folgen wie Quasiteilchen in Graphen. So durchliefen die Anregungen verlustfrei einen Bereich mit kleineren Zylindern, obwohl gewöhnliche Schallwellen hier eigentlich abgeschwächt werden sollten, berichten die Physiker im Fachmagazin »Science«. Dieses akustische Tunneln gelang selbst dann noch in 100 Prozent der Fälle, wenn die Forscher die Hürde vergrößerten – ganz so wie von Oskar Klein vorhergesagt.

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