Physik-Nobelpreis 2025 geht in die Quantenwelt
Die US-Forscher John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis konnten Mitte der 1980er Jahre in Experimenten nachweisen, dass ein kontraintuitives Phänomen aus der Quantenwelt auch in makroskopischen Systemen auftritt: der Tunneleffekt, bei dem einzelne Quanten „durch Wände gehen“ können. Vor ihren Forschungen galt die Annahme, dass dies nur in Systemen mit Einzelteichen möglich ist. Ihre Beobachtung ist unter anderem für das Quantencomputing von großer Bedeutung. Nun wurde das Trio mit dem Physik-Nobelpreis 2025 ausgezeichnet.
Um den Tunneleffekt begreifbar zu machen, greift die Physik zu Vergleichen. Man müsse es sich vorstellen, als würde sich ein Ball, der viele Male an einer Wand zurückprallt, plötzlich auf der anderen Seite befinden, ohne dass er die Mauer durchbricht oder überfliegt. Oder als würde eine Murmel ohne die nötige kinetische Energie zum Überwinden oder Herumrollen die andere Seite eines Hügels erreichen.
In der Quantenwelt war der wie von Geisterhand gelenkte Effekt schon bekannt, als die drei frisch gekürten Nobelpreisträger ihre Experimente durchführten. Unter anderem spielt dieser Tunneleffekt eine zentrale Rolle bei der Erklärung von radioaktivem Zerfall, bei dem Alpha-(α)-Teilchen dem Atomkern entweichen und dabei dessen umgebende Barriere überwinden. Durch systematische Beobachtung von vielen Kernen desselben Typs wird die Zeit bis zum Auftreten des Tunneleffekts messbar und in der so genannten Halbwertszeit angegeben: Sie gibt an, wie lange es dauert, bis die Hälfte aller Kerne in einer Probe zerfallen ist.
Was bei jeweils einzelnen α-Teilchen, Elektronen und Atomen möglich ist – die Physik spricht hier von mikroskopischen Quantensystemen – könnte auch in Systemen mit vielen Teilchen, also in makroskopischen Systemen wirksam sein. Um dieser These auf den Grund zu gehen, führten Clarke, Devoret und der damalige Doktorand Martinis ab 1984 ihre bahnbrechenden Experimente an der University of California in Berkeley durch. Hierbei integrierten sie einen Stromkreis mit zwei Supraleitern – das sind Materialien, in denen Strom ohne Widerstand fließt – auf einem etwa einen Zentimeter großen Chip. Sie trennten die Supraleiter mit einer dünnen Isolationsschicht, die keinerlei Strom leitete.
Das Team konnte auf Nobelpreis-gekürten Forschungsarbeiten aufbauen
Zum Zeitpunkt der Experimente war aus ebenfalls Nobelpreis-gekürter Forschung bekannt, dass sich die Elektronen in supraleitenden Materialien zu Paaren (Cooper-Paare) verbinden. Leon Cooper hatte dafür 1972 mit seinen Partnern John Bardeen und Robert Schrieffer den Physik-Nobelpreis erhalten. Ihre Beobachtung: Obwohl sich Elektronen eigentlich abstoßen, bilden sie als Cooper-Paare in einem Supraleiter eine feste Einheit. In dieser Form lassen sie sich als Wellenfunktion beschreiben. Brian Josephson erhielt im Jahr darauf den Nobelpreis, weil er den nach ihm benannten „Josephson-Übergang“ entdeckte: Cooper-Paare sind in der Lage, Lücken und Isolatoren zu überwinden und sich mit Elektronenpaaren auf der jeweils anderen Seite des „Josephson-Übergangs“ einen Stromkreis bilden und sich darin wie ein einziges Teilchen verhalten. Sie geraten in einen kollektiven Zustand mit einer gemeinsamen Wellenfunktion.
Für ihre Experimente konstruierten die drei US-Forscher nicht nur den Siliziumchip mit den beiden durch einen „Josephson-Übergang“ getrennten Supraleitern. Sondern sie umgaben diesen mit einem Aufbau, der ihre Messungen gegen jegliche Störeinflüsse abschirmte. In den Experimenten beobachten sie dann, dass eingangs – wie im makroskopischen System zu erwarten – keinerlei elektrische Spannung messbar war, sich dann aber ohne weiteres Zutun Spannung aufbaute. In vielen Wiederholungen konnten sie analog zu Halbwertszeit die Dauer bestimmen, bis der Nullspannungszustand endet. Erklärbar war das nur mit dem Tunneleffekt, der in diesem Fall in einem quantenmechanischen System mit vielen Milliarden Cooper-Paaren im makroskopischen Supraleiter auf dem Chip auftrat. Damit hatten sie den Nachweis erbracht, dass der Effekt auch auf makroskopischer Ebene wirksam ist. Zusätzlich wies ihr System quantisierte Energieniveaus auf. Um sie zu messen, speisten die Forscher im Nullspannungszustand Mikrowellen verschiedener Wellenlängen ein. Teils wurden diese absorbiert, was das Energieniveau jeweils ansteigen ließ. Der Nullspannungszustand im System endete schneller, wenn das System mehr Energie enthielt. Dieses Phänomen war davor nur aus mikroskopischen Quantensystemen bekannt. Mittlerweile spielen die in den Experimenten der Nobelpreisträger gewonnen Erkenntnisse rund um den Tunneleffekt und die Energiequantisierung eine zentrale Rolle bei der Umsetzung von Quantencomputern.
Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften stellt die Forschungen von Clarke, Devoret und Martinis hier anschaulich und detailreich vor. Unter anderem in allgemeinverständlichen Erklärvideos und Slideshows und mit wissenschaftlichen Hintergrundinformationen.